Использование энергии природных источников. Альтернативные виды топлива. Другие возобновляемые источники энергии
Назад
Вперёд
Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.
В настоящее время проблема охраны природы и рационального использования её ресурсов приобрела огромное мировое значение. Человек осознает, что настало время позаботиться и о природе: она не может всё время отдавать, она не способна вынести нагрузки, которые от неё требует человек.
Ознакомимся с различными видами получения энергии и экспериментально исследуем два вида чистых источников энергии на моделях ветроэнергетической установки и солнечной электростанции.
1. Экологические проблемы источников энергии
На уроках географии мы получаем знания о природных ресурсах, условиях их залегания и методах добычи. Так же мы узнаем о том, какие страны обладают ими в полной мере, а какие зависят от поставок из-за рубежа. На уроках физики мы изучаем возможности получения различных видов энергии и превращения одного вида энергии в другой. Биология дает нам знания о том, как влияет окружающий мир на живые организмы, и, в частности на человека. Но человек, своей деятельностью меняет мир природы, и не в лучшую сторону.
Загрязнения, выбросы твердых веществ, двуокиси серы, оксидом углерода, азота, углеводородов от промышленных предприятий составляют около 97% суммарных выбросов. Происходит загрязнение водных ресурсов сточными водами, загрязнение атмосферы в результате выделения пыли и газообразных веществ. При сжигании органического топлива вся его масса превращается в отходы, причем продукты сгорания в несколько раз превышают массу использованного топлива за счет включения кислорода и азота воздуха (Рисунок 1).
Происходят многие существенные изменения в ландшафтах. При добывании ископаемых создаются огромные насыпи пустой породы (Рисунок 2). Они отрицательно влияют на водный режим окружающих земель в радиусе нескольких десятках километров: сохнут колодцы, скудеет растительность при формировании отвалов пород.
Всё, что перечислено, явно указывает на то, что переход на возобновляемые источники энергии неизбежен.
1.1.Возобновляемые источники энергии.
Возобновляемые ресурсы - природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет.
В современной мировой практике к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относят водную, солнечную, ветровую, геотермальную, гидравлическую энергии; энергию морских течений, энергию волн, приливов, температурного градиента морской воды, разности температур между воздушной массой и океаном, энергию тепла Земли, энергию биомассы животного, растительного и бытового происхождения.
1.2.Невозобновляемые источники энергии.
Это источники энергии, которые используют природные ресурсы земли, в результате чего их запасы не восполняются. По прогнозам специалистов, даже при самом оптимистическом подходе, запасы наиболее удобных для использования и относительно недорогих видов топлива – нефти и газа при современных темпах их потребления будут в основном использованы через 30-50 лет. Кроме того эти ресурсы являются основным сырьем для химической промышленности, сжигая их мы на самом деле сжигаем огромное количество изделий из синтетических материалов.
Примеры невозобновляемых ресурсов: нефть, уголь, природный газ, торф, гидраты метана, руды металлов, лес.
Путь сжигания невозобновляемых запасов топлива отрицательно воздействует на окружающую среду. Нефть, разливаясь из танкеров, терпящих бедствие, губит мировой океан. добыча, и транспортировка, и переработка нефти сопряжена с вредными воздействиями на окружающую среду. Часто происходят разливы нефти в результате ее утечки из скважин или при транспортировке. Мы видим, какой вред наносят природе аварии нефтяных танкеров.
Гибнут рыбы и птицы, живущие на побережьях. Разливы нефти близко от берегов особенно вредны для морских птиц, икры и мальков рыб, обитающих около поверхности в прибрежных водах.
Горят нефтяные вышки, загрязняя атмосферу. При сжигании нефтепродуктов при переработке в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа.
2. Возобновляемые источники энергии
2.1.Энергия ветра.
1) Использование.
Энергия ветра впервые использовалась на парусных судах, позже появились ветряные мельницы (Рисунок 3). Потенциал энергии ветра подсчитан более менее точно: по оценке Всемирной метеорологической организации ее запасы в мире составляют 170 трлн. кВт·ч в год. Ветроэнергоустановки разработаны и опробованы настолько основательно, что вполне прозаической выглядит картина сегодняшнего небольшого ветряка, снабжающего дом энергией вместе с фермой. Главным фактором использования ВЭУ является то, что это экологически чистый источник и он не требует затрат на защиту от загрязнения окружающей среды.
У энергии ветра есть несколько существенных недостатков. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимы ветроэнергоустановки (ВЭУ), способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но, эти недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести их на нет. В настоящее время ветроэнергоустановки (ВЭУ) способны эффективно работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается.
Разработаны и действуют так называемые циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный “циклон”, который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков. Энергию ветра уже используют для зарядки мобильных телефонов (Рисунок 4).
Чтобы компенсировать изменчивость ветра, сооружают огромные “ветряные фермы”. Ветряки при этом стоят рядами на обширном пространстве. Такие “фермы” есть в США, во Франции, в Англии, но они занимают много места; в Дании “ветряную ферму” разместили на прибрежном мелководье Северного моря, где ветер устойчивее, чем на суше (Рисунок 5).
Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ:
а) экологически чистое производство без вредных отходов;
б) экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для атомных станций);
в) доступность;
г) практическая неисчерпаемость.
Места установки ВЭУ: на полях, где хорошие розы ветров, на морях, где преобладает разность давлений и создаются воздушные течения.
Эффективность ВЭУ зависит от режима и длительности работы, сезонной периодичности, от скорости и направления ветра.
Это мы проверим на экспериментальной установке.
2) Экспериментальная модель ВЭУ.
Она состоит из двух вентиляторов. Один из них имитирует ветер, а другой представляет собой работающую ВЭУ (Рисунок 6). Наша ВЭУ соединена через компьютер с преобразователем энергии ветра в электрическую энергию, в механическую энергию, энергию радиотелефонной связи колебательного контура приемника. На панели установки находится тумблер, переключающий все эти функции.
а) Первый эксперимент заключается в следующем: мы с помощью вентилятора-имитатора задаем силу ветра приближая и удаляя его от вентилятора, представляющего ВЭУ. На компьютере мы получаем таблицу зависимости мощности ветра и получаемого напряжения электрического тока.
По результатам эксперимента получили график зависимость мощности энергии вырабатываемой ВЭУ от силы ветра:
Мы установили, что потенциально энергетически выгодной является установка ВЭУ в таких местах, где среднегодовые скорости ветра превышают определенную величину и имеют часто повторяющуюся величину скоростей в диапазоне от 4 м/с до 9 м/с.
б) Для более полного использования энергии ветровое колесо должно занимать определенное положение относительно ветрового потока, ветровые двигатели многих типов оборудуют системами автоматической ориентации, чтобы плоскость вращения колеса была перпендикулярна направлению скорости ветра.
В эксперименте изменяли угол направления ветра, смещая вентилятор-имитатор под углом к ВЭУ. При этом на компьютере мы получаем таблицу мощности вырабатываемой энергии от угла поворота вентилятора-имитатора.
По результатам эксперимента получаем график зависимости мощности вырабатываемой ВЭУ энергии от угла направления ветра.
в) Еще одна возможность эксперимента заключалась в запасании энергии полученной от ВЭУ в аккумуляторах. Для этого на установке есть тумблер по переключению подачи энергии и аккумуляторы.
Это актуально в связи с перерывами в работе ВЭУ из-за отсутствия ветра или понижения силы ветра, и для потребителя является приемлемым возможность периодического использования энергии ветра, переработанного и запасенного заранее в периоды работы ВЭУ.
Фото 1. (Механизм подъема грузов)
Так же установка позволяет рассмотреть преобразование энергии, полученной ВЭУ, в электрическую, механическую и энергию радиотелефонной связи колебательного контура приемника. Для этого на панели установки есть тумблер, подключающий поочередно механизм для подъема грузов разной массы, радиоприемник и датчики света.
Фото 2. (Работа радиостанции)
Энергия ветра преобразуется в механическую энергию.
При хорошей мощности ветра можно поймать различные радиостанции.
Датчики света показывают зависимость напряжения от мощности ветра. Сегодня ветровая установка представляет собой ветряное колесо, устанавливаемое достаточно высоко (50-100 метров) над землей, так как скорость ветра возрастает с высотой. Диаметр ветряного колеса в проектных разработках в различных странах составляет 30-100 метров. Такие большие размеры связаны с желанием получить большую мощность одного агрегата, так как стоимость электроэнергии уменьшается с ростом мощности.
2.2.Энергия солнца.
1) Использование.
Солнечная энергия является экологически чистой энергией. Эксперты утверждают, что станция может производить достаточно энергии для снабжения 8 тысяч жилищ. Ряды вырабатывающих электроэнергию солнечных панелей занимают площадь около 60 га в самой солнечной европейской долине на юге Португалии.
Солнечные батареи просты и удобны в использовании, их можно устанавливать где угодно: на крышах и стенах жилых и производственных помещений, на специально оборудованных открытых площадках в регионах с большим числом солнечных дней (например, в пустынях) и даже вшивать в одежду (Рисунок 7).
Испанская компания Sun Red разработала проект мотоцикла, использующего для передвижения энергию Солнца. Поскольку пространства для размещения солнечных батарей на двухколесной машине немного, в Sun Red предусмотрели раздвижной кожух из фотоэлементов, закрывающий водителя (Рисунок 8).
Существуют самолеты, например именуемый Solar Impulse, создателем которого является Бертранд Пиккард, которые летают исключительно за счет солнечной энергии (Рисунок 9).
2) Экспериментальная модель солнечной станции (СЭС).
Она состоит из фотоэлемента, который освещается лампой имитирующей солнце. Фотоэлемент имитирует работу Солнечной электростанции (СЭС). Все данные моделируем с помощью компьютер (Рисунок 10) а, так же как и для ВЭУ.
Мы изучили три зависимости и получили следующие результаты.
а) Мощность вырабатываемой энергии зависит СЭС от времени суток. Угол положение лампы можно менять, тем самым, имитируя изменение времени суток.
График зависимости:
б) Мощность вырабатываемой энергии СЭС зависит от широты местности. Изменяя расстояние до фотоэлемента, мы как бы измененяем широту местности, где находится СЭС.
График зависимости:
в) Мощность вырабатываемой энергии СЭС зависит от времени года. Изменяя яркость лампы, мы как бы изменяем время года.
График зависимости.
Так же как для ВЗУ, энергия солнца может запасаться в аккумуляторах и использоваться для разных целей. Солнечная энергия преобразуется в механическую энергию для подъёма грузов, в электроэнергию для работы электрических приборов. Также можно преобразовать энергию для работы радио. В нашем эксперименте приемник ловит частоты радиостанций.
3) Проблемы применения фотоэлементов.
Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т.д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30-50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения. Однако, в последнее время начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. Поэтому тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, более экологичны, но пока имеют меньшее распространение.
3. Профессии, связанные с использование чистых источников энергии
Современному человеку за жизнь придется много раз менять виды деятельности, осваивать новые профессии, поэтому ему необходимо сориентироваться в многообразии профессий.
Профессии рассматриваются на четырех этапах, связанных с реализацией станции:
- проектирование (инженер-электромеханик, авиационный инженер, инженер-геодезист);
- установка (техник по установке, электротехник, вышкомонтажник) (Рисунок 11);
- техническое обслуживание (диспетчер энергосистемы);
- эксплуатация станций (техник по эксплуатации).
3.1. Проектирование:
а) Инженер-электромеханик.
Высококвалифицированный специалист, обладающий глубокими знаниями по теоретической электронике, теории автоматического регулирования, промышленной электронике и вычислительной технике, умеет разбираться в сложнейших чертежах и схемах (Рисунок 12).
б) Инженер-геодезист.
Инженер-геодезист занимается составлением карт и планов местности. Он настраивает геодезические приборы, обрабатывает результаты съемки, производит необходимые вычисления, определяет место установки ВЭУ и солнечных станций.
3.2. Техническое обслуживание:
Диспетчер энергосистемы.
Диспетчер энергосистемы обеспечивает безаварийную работу энергосистемы, наблюдает за панелью, отражающей работу системы и сохраняет готовность к устранению возможных аварий (Рисунок 13).
3.3. Эксплуатация электростанций.
Техник по эксплуатации.
Техник по эксплуатации определяет потенциальные возможности эксплуатации ВЭУ, ветровой режим хозяйственно-экономические условия эксплуатации, эффективность ветряного двигателя.
4. Вывод
Человечеству необходимо уже сейчас, не растратив природных богатств, перейти на чистые источники энергии. Их надо рассматривать не с точки зрения конкурентной способности по сравнению с традиционными способами энергетики, а отвести роль важного, иногда вспомогательного направления, способного эффективно дополнять уже используемые энергетические средства и заменять их.
5. Список используемой литературы
1. М.А.Станкович, Э.Э.Шпильрейн. “Энергетика. Проблемы и перспективы”. Издательство. Москва, Энергия, 1981.
2. Б.М Берковский, В.А.Кузьминов. “Возобновляемые источники на службе у человечества” М: Изд-во "Мир". 1976. 295 с.
3. Глобальная энергетическая проблема / Под общ. ред. И.Д. Иванова.- М.: Мысль, 198.
4. Краффт А.Эрике. Будущее космической индустрии М.: Машиностроение.1979 г.
5. Дж.Твайделл, А.Уэйр. “Возобновляемые источники энергии”. Издательство: М.: Энергоатомиздат, год: 1990.
6. Б.Бринкворт “Солнечная энергия для космоса”.
7. Я.И. Шефтер “Использование энергия ветра”. М.: Энергоатомиздат, 1983 г.
8. Энциклопедический словарь А.Б. Мигдала. София: Наука и изкуство, 1990.
Интернет ресурсы:
http://revolution.allbest.ru/physics/00016158_0.html
http://revolution.allbest.ru/ecology/00005949_0.html
http://fueloff.narod.ru/wind/dop1.htm
Рациональное использование энергии
Хотя в мире пока еще не ощущается нехватки энергоресурсов, в предстоящие два-три десятилетия возможны серьезные трудности, если не появятся альтернативные источники энергии или не будет ограничен рост ее потребления. Очевидна необходимость более рационального использования энергии. Имеется ряд предложений по повышению эффективности аккумулирования и транспортирования энергии, а также по более эффективному ее использованию в различных отраслях промышленности, на транспорте и в быту.
Аккумулирование энергии. Нагрузка электростанций изменяется на протяжении суток; происходят также ее сезонные изменения. Эффективность работы электростанций можно повысить, если в периоды провала графиков энергетической нагрузки затрачивать излишек мощности на перекачку воды в большой резервуар. Затем в периоды пиковой нагрузки можно выпускать воду, заставляя ее вырабатывать на ГАЭС дополнительную электроэнергию.
Более широкое применение могло бы найти использование мощности базового режима электростанции для накачки сжатого воздуха в подземные полости. Турбины, работающие на сжатом воздухе, позволили бы экономить первичные энергоресурсы в периоды повышенной нагрузки.
Передача электроэнергии. Большие энергетические потери связаны с передачей электроэнергии. Для их снижения расширяется использование линий передачи и распределительных сетей с повышенным уровнем напряжения. Альтернативное направление - сверхпроводящие линии электропередачи. Электросопротивление некоторых металлов падает до нуля при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. По сверхпроводящим кабелям можно было бы передавать мощности до 10 000 МВт. Установлено, что некоторые керамические материалы становятся сверхпроводящими при не очень низких температурах, достижимых с помощью обычной холодильной техники. Это удивительное открытие могло бы привести к важным новациям не только в области передачи электроэнергии, но и в области наземного транспорта, компьютерной техники и техники ядерных реакторов.
Водород как теплоноситель.
Водород признается учеными как топливо будущего. Это обусловлено тем, что водород модно использовать: в быту вместо природного газа, слегка изменив распределительные сети и горелки; на транспорте как автомобильное горючее при модифицировании карбюратора.
Единственный недостаток - водород практически не встречается на Земле в свободном виде, он весь окислился до воды. Для его получения можно использовать солнечную энергию. Установка для этого реализует диссоциацию воды на водород и кислород в результате электролиза воды (при пропускании электротока через воду). КПД такой установки не превышает 15-20%. Водород можно было бы без особых трудностей транспортировать по трубопроводам для природного газа. Можно также хранить его в жидком виде в криогенных резервуарах. Водород легко диффундирует в некоторые металлы, например титан. Его можно накапливать в таких металлах, а затем выделять, нагревая металл.
Магнитогидродинамика (МГД). Это метод, позволяющий более эффективно использовать ископаемые энергоносители. Идея состоит в том, чтобы заменить медные токовые обмотки обычного машинного электрогенератора потоком ионизованного (проводящего) газа. Наибольший экономический эффект МГД-генераторы могут давать, вероятно, при сжигании угля. Поскольку в них нет движущихся механических частей, они могут работать при очень высоких температурах, а это обеспечивает высокий КПД. Теоретически КПД таких генераторов может достигать 50-60%, что означало бы до 20% экономии по сравнению с современными электростанциями на ископаемых энергоносителях. Кроме того, МГД-генераторы дают меньше сбросной теплоты. Дополнительное их преимущество состоит в том, что они в меньшей степени загрязняли бы атмосферу выбросами газообразных оксидов азота и соединений серы. Поэтому МГД-электростанции могли бы, не загрязняя окружающей среды, работать на углях с повышенным содержанием серы.
Пределы потребления энергии. Непрерывный рост потребления энергии не только ведет к истощению запасов энергоресурсов и загрязнению среды обитания, но и в конце концов может вызвать значительные изменения температуры и климата на Земле.
Энергия химических, ядерных и даже геотермальных источников в конечном счете превращается в тепло. Оно передается земной атмосфере и сдвигает равновесие в сторону более высокой температуры. При нынешних темпах роста численности населения и душевого потребления энергии к 2060 повышение температуры может составить 1? C. Это заметно скажется на климате.
Еще раньше климат может измениться из-за повышения содержания в атмосфере углекислого газа, образующегося при сгорании ископаемых топлив.Заключение
Экологическая проблема поставила человечество перед выбором дальнейшего пути развития: быть ли ему по-прежнему ориентированным на безграничный рост производства или этот рост должен быть согласован с реальными возможностями природной среды и человеческого организма и соразмерен не только с ближайшими, но и отдаленными целями социального развития.
В возникновении сегодняшнего экологического кризиса определяющая роль принадлежит техническому прогрессу. С развитием техногенной цивилизации происходит увеличение риска экологических кризисов и их последствий. Источник такой взаимосвязи - сам человек, который одновременно является и природным существом, и носителем технологического развития.
Создание новых технологий малоотходного. А затем и безотходного производства по замкнутому циклу позволит обеспечить достаточно высокий уровень жизни, не нарушая при этом хрупкого экологического равновесия.
А постепенный переход к альтернативной энергетики сохранит чистый воздух, прекратит катастрофическое сжигание атмосферного кислорода, устранит тепловое загрязнение атмосферы, тем самым сохранит жизнь будущим потомкам.
Краткое описание
Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия - электрическая - играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000 году будет произведено 30 тысяч миллиардов киловатт-часов! Гигантские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало, потребности в ней растут еще быстрее.
Введение…………………………………………………………………3
1. Виды энергии……………………………………………………………4
1. Энергия солнца…………………………………………………………4
2. Ветровая энергия……………………………………………………….5
3. Энергия рек……………………………………………………………..6
4. Энергия земли…………………………………………………………..6
5. Энергия океана………………………………………………………….7
6. Атомная энергия……………………………………………………….14
Заключение……………………………………………………………..16
Список литературы…………………………………………………….17
Содержимое работы - 2 файла
Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, ив наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины - 360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч киловатт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч кило-
ватт.
- Энергия мирового океана
Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10^26 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10^18 Дж. Однако пока что люди умеют утилизовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.
Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемых топлив (прежде всего нефти и газа), использование которых к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды (включая сюда также и тепловое "загрязнение", и грозящее климатическими последствиями повышение уровня атмосферной углекислоты), резкая ограниченность запасов урана (энергетическое использование которых к тому же порождает опасные радиоактивные отходы) и неопределенность как сроков, так и экологических последствий промышленного использования термоядерной энергии заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам возможностей рентабельной утилизации обширных и безвредных источников энергии и не только перепадов уровня воды в реках, но и солнечного тепла, ветра и энергии в Мировом океане.
Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС). С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 метров работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВт*ч. Советский инженер Бернштейн разработал удобный способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал рентабельную процедуру включения ПЭС в энергосети в часы их максимальной нагрузки потребителями. Его идеи проверены на ПЭС, построенной в 1968 году в Кислой Губе около Мурманска; своей очереди ждет ПЭС на 6 млн. кВт в Мезенском заливе на Баренцевом море.
Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей келп, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. По имеющимся оценкам, для полного обеспечения энергией каждого человека - потребителя достаточно одного гектара плантаций келпа.
Большое внимание приобрела "океанотермическая энергоконверсия" (ОТЭК), т.е. получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосом глубинными океанскими водами, например при использовании в замкнутом цикле турбины таких легкоиспаряющихся жидкостей как пропан, фреон или аммоний. В какой-то мере аналогичными, но как пока кажется, вероятно, более далекими представляются перспективы получения электроэнергии за счет различия между соленой и пресной, например морской и речной водой.
Уже немало инженерного искусства вложено в макеты генераторов электроэнергии, работающих за счет морского волнения, причем обсуждаются перспективы электростанций с мощностями на многие тысячи киловатт. Еще больше сулят гигантские турбины на таких интенсивных и стабильных океанских течениях, как Гольфстрим.
Представляется, что некоторые из предлагавшихся океанских энергетических установок могут быть реализованы, и стать рентабельными уже в настоящее время. Вместе с тем следует ожидать, что творческий энтузиазм, искусство и изобретательность научно- инженерных работников улучшить существующие и создадут новые перспективы для промышленного использования энергетических ресурсов Мирового океана. Думается, что при современных темпах научно-технического прогресса существенные сдвиги в океанской энергетике должны произойти в ближайшие десятилетия.
Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, и не загрязняет окружающую среду, неиссякаема и свободна.
Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух и образует ветры, вызывающие волны. Она нагревает океан, который накапливает тепловую энергию. Она приводит в движение течения, которые в то же время меняют свое направление под воздействием вращения Земли.
Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системы Земля - Луна и вызывает приливы и отливы. Океан - это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромная кладовая беспокойной энергии. Здесь плещут волны, рождаются приливы и отливы, пересекаются течения, и все это наполнено энергией. Бакены и маяки, использующие энергию волн, уже усеяли прибрежные воды Японии. В течение многих лет бакены – свистки береговой охраны США действуют благодаря волновым колебаниям.
Сегодня вряд ли существует прибрежный район, где не было бы своего собственного изобретателя, работающего над созданием устройства, использующего энергию волн.
Начиная с 1966 года два французских города полностью удовлетворяют свои потребности в электроэнергии за счет энергии приливов и отливов. Энергоустановка на реке Ранс (Бретань), состоящая из двадцати четырех реверсивных турбогенераторов, использует эту энергию. Выходная мощность установки 240 мегаватт - одна из наиболее мощных гидроэлектростанций во Франции.
В 70-х годах ситуация в энергетике изменилась. Каждый раз, когда поставщики на Ближнем Востоке, в Африке и Южной Америке поднимали цены на нефть, энергия приливов становилась все более привлекательной, так как она успешно конкурировала в цене с ископаемыми видами топлива.
Вскоре за этим в Советском Союзе, Южной Корее и Англии возрос интерес к очертаниям береговых линий и возможностям создания на них энергоустановок. В этих странах стали всерьез подумывать об использовании энергии приливов волн и выделять средства на научные исследования в этой области, планировать их.
Не так давно группа ученых океанологов обратила внимание на тот факт, что Гольфстрим несет свои воды вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Идея использовать этот поток теплой воды была весьма заманчивой. Возможно ли это? Смогут ли гигантские турбины и подводные пропеллеры, напоминающие ветряные мельницы, генерировать электричество, извлекая энергию из течений и воли? "Смогут" - таково в 1974 году было заключение Комитета Мак-Артура, находящегося под эгидой Национального управления по исследованию океана и атмосферы в Майами (Флорида).Общее мнение заключалось в том, что имеют место определенные проблемы, но все они могут быть решены в случае выделения ассигнований, так как "в этом проекте нет ничего такого, что превышало бы возможности современной инженерной и технологической мысли".
Один из ученых, наиболее склонный к прогнозам на будущее, предсказал, что электричество, полученное при использовании энергии Гольфстрима, может стать конкурентоспособным уже в 80-е годы.
В океане существует замечательная среда для поддержания жизни, в состав которой входят питательные вещества, соли и другие минералы. В этой среде растворенный в воде кислород питает всех морских животных от самых маленьких до самых больших, от амебы до акулы. Растворенный углекислый газ точно так же поддерживает жизнь всех морских растений от одноклеточных диатомовых водорослей до достигающих высоты 200-300 футов (60-90 метров) бурых водорослей. Морскому биологу нужно сделать лишь шаг вперед, чтобы перейти от восприятия океана как природной системы поддержания жизни к попытке начать на научной основе извлекать из этой системы энергию.
При поддержке военно-морского флота США в середине 70-х годов группа специалистов в области исследования океана, морских инженеров и водолазов создала первую в мире океанскую энергетическую ферму на глубине 40 футов (12 метров) под залитой солнцем гладью Тихого океана вблизи города Сан-Клемент. Ферма была небольшая. По сути своей, все это было лишь экспериментом. На ферме выращивались гигантские калифорнийские бурые водоросли.
По мнению директора проекта доктора Говарда А. Уилкокса, сотрудника Центра исследования морских и океанских систем в Сан-Диего (Калифорния), "до 50 % энергии этих водорослей может быть превращено в топливо - в природный газ метан. Океанские фермы будущего, выращивающие бурые водоросли на площади примерно 100 000 акров (40 000 га), смогут давать энергию, которой хватит, чтобы полностью удовлетворить потребности американского города с населением в 50 000 человек".
Океан всегда был богат энергией волн, приливов и течений. В древние времена, наблюдая движение водных потоков, рыбаки ничего не знали о "приливной энергии" или о "выращивании бурых водорослей", однако они знали, что выходить в море легче во время отлива, а возвращаться обратно - во время прилива. Им, конечно, было известно и о том, что иногда волны тяжело и страшно бьют о берег, выбрасывая камни на его скалы, и о "морских реках", которые всегда выносили их к нужным островам, и о том, что они всегда смогут прокормиться моллюсками, ракообразными, рыбой и съедобными водорослями, растущими в океане.В наши дни, когда возросла необходимость в новых видах топлива, океанографы, химики, физики, инженеры и технологи обращают все большее внимание на океан как на потенциальный источник энергии.
В океане растворено огромное количество солей. Может ли соленость быть использована, как источник энергии?
Может. Большая концентрация соли в океане навела ряд исследователей Скриппского океанографического института в Ла-Колла (Калифорния) и других центров на мысль о создании таких установок. Они считают, что для получения большого количества энергии вполне возможно сконструировать батареи, в которых происходили бы реакции между соленой и несоленой водой.
Температура воды океана в разных местах различна. Между тропиком Рака и тропиком Козерога поверхность воды нагревается до 82 градусов по Фаренгейту (27 C). На глубине в 2000 футов (600 метров) температура падает до 35,36,37 или 38 градусов по Фаренгейту (2-3.5 С). Возникает вопрос: есть ли возможность использовать разницу температур для получения энергии? Могла бы тепловая энергоустановка, плывущая под водой, производить электричество?
Да, и это возможно.
В далекие 20-е годы нашего столетия Жорж Клод, одаренный, решительный и весьма настойчивый французский физик, решил исследовать такую возможность. Выбрав участок океана вблизи берегов Кубы, он сумел-таки после серии неудачных попыток получить установку мощностью 22 киловатта. Это явилось большим научным достижением и приветствовалось многими учеными.
Используя теплую воду на поверхности и холодную на глубине и создав соответствующую технологию, мы располагаем всем необходимым для производства электроэнергии, уверяли сторонники использования тепловой энергии океана. "Согласно нашим оценкам, в этих поверхностных водах имеются запасы энергии, которые в 10 000 раз превышают общемировую потребность в ней".
"Увы, - возражали скептики, - Жорж Клод получил в заливе Матансас всего 22 киловатта электроэнергии. Дало ли это прибыль?" Не дало, так как, чтобы получить эти 22 киловатта, Клоду пришлось затратить 80 киловатт на работу своих насосов.
Сегодня профессор Скриппского института океанографии Джон Исаак сделает вычисления более аккуратно. По его оценкам, современная технология позволит создавать энергоустановки, использующие для производства электричества разницу температур в океане, которые производили бы его в два раза больше, чем общемировое потребление на сегодняшний день. Это будет электроэнергия, производимая электростанцией, преобразующей термальную энергию океана (ОТЕС).
Конечно, это - прогноз ободряющий, но даже если он оправдается, результаты не помогут разрешению мировых энергетических проблем. Разумеется, доступ к запасам электроэнергии ОТЕС предоставляет великолепные возможности, но (по крайней мере пока) электричество не поднимает в небо самолеты, не будет двигать легковые и грузовые автомобили и автобусы, не поведет корабли через моря.
Однако самолеты и легковые автомобили, автобусы и грузовики могут приводиться в движение газом, который можно извлекать из воды, а уж воды-то в морях достаточно. Этот газ - водород, и он может использоваться в качестве горючего. Водород - один из наиболее распространенных элементов во Вселенной. В океане он содержится в каждой капле воды. Помните формулу воды? Формула HOH значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Извлеченный из воды водород можно сжигать как топливо и использовать не только для того, чтобы приводить в движение различные транспортные средства, но и для получения электроэнергии.
Жизнь современного человека просто немыслима без энергии. Отключение электроэнергии представляется катастрофой, человек уже не мыслит жизнь без транспорта, а приготовление, к примеру, пищи на костре, а не на удобной газовой или электрической плите - это уже из разряда хобби.
До сих пор мы используем для выработки энергии органическое топливо (нефть, газ, уголь). Но их запасы на нашей планете ограничены, и не сегодня-завтра наступит день, когда они иссякнут. Что же делать? Ответ уже есть - искать другие источники энергии, нетрадиционные, альтернативные, запас которых просто неисчерпаем.
К таким альтернативным источникам энергии относятся солнце и ветер.
Использование солнечной энергии
Солнце - мощнейший поставщик энергии. Что-то мы используем в силу наших физиологических особенностей. Но миллионы, миллиарды киловатт уходят впустую и исчезают с наступлением темноты. Каждую секунду Солнце дарит Земле 80 тысяч миллиардов киловатт. Это в несколько раз больше, чем вырабатывают все электростанции мира.
Только представьте, какие выгоды принесет человечеству использование солнечной энергии:
. Бесконечность по времени . Ученые предсказывают, что Солнце не погаснет еще в течение нескольких миллиардов лет. А это значит, что хватит и на наш век и для наших дальних потомков.
. География . На нашей планете нет мест, где не светило бы солнце. Где-то ярче, где-то тусклее, но Солнце есть везде. А значит не нужно будет окутывать Землю бесконечной паутиной проводов, пытаясь доставить электроэнергию в отдаленные уголки планеты.
. Количество . Энергии солнца хватит на всех. Даже если кто-то начнет безразмерно запасать такую энергию впрок, это ничего не изменит. Хватит и чтобы батарейки зарядить, и на пляже позагорать.
. Экономическая выгода . Уже не нужно будет тратиться на покупку дров, угля, бензина. Бесплатный солнечный свет будет отвечать за работу водоснабжения и автомобиля, кондиционера и телевизора, холодильника и компьютера.
. Экологически выгодно . Уйдет в прошлое тотальная вырубка лесов, не нужно будет топить печи, строить очередные "чернобыли" и "фукусимы", жечь мазут и нефть. Зачем прикладывать столько сил к уничтожению природы, когда в небе есть прекрасный и неиссякаемый источник энергии - Солнце.
К счастью, это не мечты. По оценкам ученых, уже к 2020 году 15% электроэнергии в Европе будет обеспечиваться за счет солнечного света. И это только начало.
Где используют солнечную энергию
. Солнечные батареи . Батареи, установленные на крыше дома, уже никого не удивляют. Поглощая энергию солнца, они преобразуют ее в электрическую. В Калифорнии, например, любой проект нового дома подразумевает обязательное использование солнечной батареи. А в Голландии город Херхюговард называют "городом Солнца", потому что здесь все дома оснащены солнечными батареями.
. Транспорт .
Уже сейчас все космические корабли во время автономного полета обеспечивают себя электричеством за счет энергии солнца.
Автомобили на солнечных батареях. Первая модель такого автомобиля была представлена еще в 1955 году. А уже в 2006 году французская компания Venturi наладила серийный выпуск "солнечных" автомобилей. Характеристики его пока скромны: всего 110 километров автономного хода и скорость не выше 120 км/ч. Но практически все мировые лидеры автомобильной промышленности разрабатывают свои версии экологически чистых авто.
. Солнечные электростанции .
. Гаджеты . Уже сейчас есть зарядки для многих устройств, которые работают от солнца.
Виды солнечной энергии (солнечные электростанции)
В настоящее время разработано несколько видов солнечных электростанций (СЭС):
. Башенные . Принцип работы прост. Огромное зеркало (гелиостат) поворачивается вслед за солнцем и направляет солнечные лучи на теплоприемник, заполненный водой. Далее все происходит как в обычной ТЭЦ: вода закипает, превращается в пар. Пар крутит турбину, которая задействует генератор. Последний и вырабатывает электричество.
. Тарельчатые . Принцип работы схож с башенными. Отличие заключается в самой конструкции. Во-первых, используется не одно зеркало, а несколько круглых, похожих на огромные тарелки. Зеркала устанавливают радиально, вокруг приемника.
Каждая тарельчатая СЭС может иметь сразу несколько подобных модулей.
. Фотовольтаические (использующие фотобатареи).
. СЭС с параболоцилиндрическим концентратором . Огромное зеркало в форме цилиндра, где в фокусе параболы установлена трубка с теплоносителем (чаще всего используют масло). Масло разогревается до нужной температуры и отдает тепло воде.
. Солнечно-вакуумные . Участок земли закрывают стеклянной крышей. Воздух и почва под ней нагреваются сильнее. Специальная турбина гонит теплый воздух к приемной башне, возле которой установлен электрогенератор. Электричество вырабатывается за счет разницы температур.
Использование энергии ветра
Еще один вид альтернативного и возобновляемого источника энергии - ветер. Чем сильнее ветер, тем большее количество кинетической энергии он вырабатывает. А кинетическую всегда можно преобразовать в механическую или электрическую энергию.
Механическую энергию, получаемую за счет ветра, используют уже давно. Например, при помоле зерна (знаменитые ветряные мельницы) или перекачивания воды.
Энергию ветра используют также:
В ветряных установках, которые вырабатывают электричество. Лопасти заряжают аккумулятор, от которого ток подается в преобразователи. Здесь постоянный ток преобразуется в переменный.
Транспорт. Уже сейчас есть автомобиль, который едет за счет энергии ветра. Специальная ветровая установка (кайт) позволяет двигаться и водным судам.
Виды ветряной энергии (ветряные электростанции)
. Наземные - самый распространенный вид. Такие ВЭС устанавливают на холмах или возвышенностях.
. Шельфовые . Их строят на мелководье, в значительном удалении от берегов. Электричество поступает на сушу по подводным кабелям.
. Прибрежные - устанавливают на некотором удалении от моря или океана. Прибрежные ВЭС используют силу бризов.
. Плавающие . Первый плавающий ветрогенератор был установлен в 2008 году недалеко от берегов Италии. Генераторы устанавливают на специальных платформах.
. Парящие ВЭС размещают на высоте на специальных подушках, выполненных из невоспламеняемых материалов и наполненных гелием. Электричество на землю подается по канатам.
Перспективы и развитие
Самые серьезные перспективные планы по использованию энергии солнца ставит перед собой Китай, который к 2020 году планирует стать мировым лидером в этой области. Страны ЕЭС разрабатывают концепцию, которая позволит получать до 20% электроэнергии из альтернативных источников. Американское Министерство энергетики называет меньшую цифру - к 2035 году до 14%. Есть СЭС и в России. Одна из самых мощных установлена в Кисловодске.
Что касается использования энергии ветра, то приведем некоторые цифры. Европейская Ассоциация ветровой энергетики опубликовала данные, которые показывают, что ветроэнергетические установки обеспечивают электричеством многие страны мира. Так, в Дании, за счет таких установок получают 20% потребляемой электроэнергии, в Португалии и Испании - 11%, в Ирландии - 9%, в Германии - 7%.
В настоящее время ВЭС установлены более чем в 50 странах мира, а их мощность растет из года в год.
В основном энергию, используемую в быту и промышленности, мы добываем на или в ее недрах. Например, во многих слаборазвитых странах жгут древесину для отопления и освещения жилищ, тогда как в развитых странах для получения электроэнергии сжигают различные ископаемые источники топлива - уголь, нефть и газ. Ископаемые виды топлива представляют собой не возобновляемые источники энергии. Их запасы восстановить невозможно. Ученые сейчас изучают возможности использования неисчерпаемых источников энергии.
Ископаемые виды топлива
Уголь, нефть и газ - невозобновляемые источники энергии, которые сформировались из остатков древних растений и животных, обитавших на Земле миллионы лет назад (подробнее в статье «Древнейшие формы жизни»). Эти виды топлива добываются из недр и сжигаются для получения электроэнергии. Однако использование ископаемых источников топлива создает серьезные проблемы. При современных темпах потребления известные запасы нефти и газа будут исчерпаны уже в ближайшие 50 лет. Запасов угля хватит лет на 250. При сжигании этих видов топлива образуются газы, под воздействием которых возникает парниковый эффект и выпадают кислотные дожди.
Возобновляемые источники энергии
По мере роста численности населения людям требуется все больше энергии, и многие страны переходят к использованию возобновляемых источников энергии - солнца, ветра и воды. Идея их применения пользуется широкой популярностью, так как это - экологически чистые источники, использование которых не наносит вреда окружающей среде.
Гидроэлектростанции
Энергию воды используют на протяжении многих веков. Вода вращала водяные колеса, использовавшиеся для разных целей. В наши дни построены огромные плотины и водохранилища, и вода применяется для выработки электроэнергии. Течение реки вращает колеса турбин, превращая энергию воды в электроэнергию. Турбина связана с генератором, который вырабатывает электроэнергию.
Солнечная энергия
Земля получает громадное количество солнечной энергии. Современная техника позволяет ученым разрабатывать новые методы использования солнечной энергии. Крупнейшая в мире солнечная электростанция построена в пустыне Калифорнии. Она полностью обеспечивает потребности 2000 домов в энергии. Зеркала отражают солнечные лучи, направляя их в центральный бойлер с водой. Вода в нем кипит и превращается в пар, который вращает турбину, связанную с электрогенератором.
Энергия ветра
Энергия ветра используется человеком уже не первое тысячелетие. Ветер надувал паруса и вращал мельницы. Для использования энергии ветра создавались самые разнообразные устройства, предназначенные для выработки электроэнергии и для других целей. Ветер вращает лопасти , приводящие в действие вал турбины, связанной с электрогенератором.
Атомная энергия
Атомная энергия - тепловая энергия, выделяющаяся при распаде мельчайших частиц материи - атомов. Основным топливом для получения атомной энергии является уран - элемент, содержащийся в земной коре. Многие люди считают атомную энергию энергией будущего, но ее применение на практике создает ряд серьезных проблем. Атомные электростанции не выделяют ядовитых газов, но могут создавать немало трудностей, так как это топливо радиоактивно. Оно излучает радиацию, убивающую все живые организмы. Если радиация попадает в почву или в атмосферу, это влечет за собой катастрофические последствия.
Аварии ядерных реакторов и выбросы радиоактивных веществ в атмосферу представляют собой большую опасность. Авария на ядерной электростанции в Чернобыле (Украина), случившаяся в 1986 г., повлекла за собой гибель многих людей и заражение огромной территории. Радиоактивные отходы угрожают всему живому в течение тысячелетий. Обычно их хоронят ни дне морей, но нередки и случаи захоронения отходов глубоко под землей.
Другие возобновляемые источники энергии
В будущем люди смогут использовать множество различных естественных источников энергии. Например, в вулканических районах разрабатывается технология использования геотермальной энергии (тепла земных недр). Другим источником энергии является биогаз, образующийся при гниении отходов. Он может применяться для отопления жилищ и нагревания воды. Уже созданы приливные электростанции. Поперек устьев рек (эстуариев) нередко возводят плотины. Особые турбины, приводимые в действие приливами и отливами, вырабатывают электроэнергию.
Как сделать ротор Савония: Ротор Савония представляет собой механизм, применяемый крестьянами в Азии и Африке для подачи воды при ирригации. Чтобы самим сделать ротор, вам потребуются несколько чертежных кнопок, большая пластмассовая бутылка, крышка, две прокладки, стержень длиной 1 м и толщиной 5 мм и два металлических кольца.
Как это сделать?
- Чтобы сделать лопасти, обрежьте бутылку сверху и разрежьте ее пополам вдоль.
- С помощью чертежных кнопок прикрепите половинки бутылки к крышке. Соблюдайте осторожность при обращении с кнопками.
- Приклейте прокладки к крышке и воткните в нее стержень.
- Приверните кольца к деревянному основанию и поставьте ваш ротор на ветру. Вставьте стержень в кольца и проверьте вращение ротора. Выбрав оптимальное положение половины бутылки, приклейте их к крышке прочным водоотталкивающим клеем.
Поиск по сайту.