Традиционные и возобновляемые источники электроэнергии

На основе лабораторных исследований ядерных реакций Бете (1938) пришел к заключению, что энергия, излучаемая Солнцем, - это продукт  происходящего на: Солнце процесса слияния (синтеза) ядер атомов водорода (протонов) в атомные ядра гелия

Синтез ядер, ведущий к образованию гелия, происходит при температуре в  миллионы градусов (поэтому эти процессы называют термоядерными реакциями) и при очень высоком давлении.

Для наглядного представления об истинных размерах энергии, освобождающейся при ядерном  синтезе, интересно сравнить его  с реакциями окисления водорода или углерода, которые относятся  к числу наиболее "энергетически  богатых" химических процессов:  О2-»2Н2О+137ккал

Видно, что энергия, выделяющаяся при термоядерных реакциях, во много миллионов раз превосходит  теплоту сгорания. С помощью спектроскопических исследований установлено, что Солнце в основном сострит из водорода: на каждые четыре атома водорода приходится только один атом гелия. В течение 5-6 миллиардов лет, прошедших со времени возникновения Солнца, лишь относительно небольшая часть содержащегося в нем водорода превратилась в гелий. Следовательно, Солнце может излучать энергию еще в течение нескольких миллиардов лет.

Таким образом, благодаря успехам современной  физики доказано, что потребность  в энергии живой и неживой природы, а также человеческого общества, в конечном счете удовлетворяется за счет термоядерных процессов, происходящих на Солнце. При современных способах получения атомной энергии ее можно использовать лишь после многочисленных преобразований. Осуществление в искусственных условиях управляемой термоядерной реакции дало бы человечеству мощный источник энергии. Вот почему над этой проблемой работают физики всего мира. Неуправляемый ядерный синтез с огромной скоростью совершается при взрыве водородной бомбы.

 

Аккумуляция солнечной энергии

Отдельные, периоды  круговорота углерода в природе (образование энергетически богатых углеродных соединений из углекислого газа и воды и их последующий распад на те же соединения) имеют продолжительность от нескольких месяцев до нескольких столетий. Если же обычные условия меняются (как это произошло, например, при образовании нефти, газа и угля), процессы превращения могут протекать исключительно медленно, в течение миллионов лет.

В земной коре без  доступа воздуха углеводороды и  уголь относительно стабильны, и  часть химической энергии в них  еще сохранилась в неизменном виде: они как бы законсервировали солнечную энергию. Здесь очевидна аналогия с рассмотренным выше примером с шаром. При изменении условий (извлечении нефти, угля или газа на поверхность земли и их использовании) стабильность состояния этих веществ нарушается: при сгорании они соединяются с кислородом, образуя углекислый газ и воду. На этом круговорот углерода и водорода, нормальный ход которого по геологическим причинам задержался на миллионы лет, быстро заканчивается. При сжиганий освобождается энергия солнечного излучения, которую растения долгое время хранили в себе.

Таким образом, нефть, природный газ и каменный уголь - это законсервированная энергия, являющаяся частью когда-то поглощенной  солнечной энергии.

 

Происхождение энергии воды и ветра

Известно, что  гидростанции потребляют ту потенциальную энергию воды в реках и водопадах, которая освобождается благодаря естественному перепаду высот. Но вода в своем вечном круговороте попадает на возвышенные участки земли в результате испарения мерей, рек и озер, которое происходит в первую очередь под действием солнечного излучения. Пар, превращаясь в капли воды, собирается в облака или тучи, откуда вода в виде дождя или снега попадает обратно на землю, » том числе и на возвышенности. Скапливающаяся здесь вода обладает большим запасом потенциальной энергии, которая затем при помощи турбин, приведенных в действие естественными или искусственно созданными водопадами, может быть превращена в электрическую энергию или механическую работу.

Таким образом, большая часть энергии, полученной на гидростанциях, также обязана своим происхождением солнечному излучению. Только незначительная часть энергии, потребляемой при испарении различных , водоемов,- это тепло Земли, которое в свою очередь, освобождается в результате происходящих внутри Земли процессов, радиоактивного распада.

Энергия ветра также в  значительной степени обязана своим  происхождением Солнцу: разница в  нагреве отдельных областей земной поверхности вызывает атмосферные  течения (т.е. ветер).

Хорошо  ли используется солнечная энергия? 

Как мы уже убедились, большая часть нашей потребности  в энергии покрывается за счет солнечной энергии. Но, к сожалению, живая природа использует эту  солнечную энергию недостаточно эффективно.

Солнце излучает ежегодно огромное количество энергии, равное ~ Зх1030ккал, из нее Земли достигает около 1021 ккал. Примерно 60% энергии поглощается воздухом (2,5% ее превращается в энергию ветра); 25,5% достигает водной поверхности, но из этого количества только 0,04% передается воде; очень незначительную часть потребляют водные растения; 14,5% энергии солнечного излучения достигает суши и только 0,12 % ее благодаря растениям превращается в химическую энергию. "Неиспользованная" энергия солнечного излучения Земли переходит обратно в мировое пространство. Земля отдает больше энергии, чем получает от Солнца, так как она излучает еще и энергию, освобождающуюся в результате радиоактивных процессов, происходящих в ее недрах.

Таким образом, растительный и животный мир, включая  человека, использует совершенно ничтожную  долю солнечной энергии, попадающей на Землю. Задача будущего - найти и разработать средства и методы, которые помогут человеку более полно использовать эту энергию.

Глубокое проникновение  в тайны природы, по-видимому, поможет  открыть принципиально новые  возможности в этой области.

Один из методов  более эффективного использования  солнечной энергии, требующий дальнейшей теоретической разработки, это интенсификация сельского хозяйства за счет лучшей обработки почвы и внесения искусственных  удобрений, а также культивирования таких растений, которые более рационально используют эту энергию. Другой метод -создание термо- и фотоэлементов, где происходит непосредственное превращение солнечной энергии в электрическую.

 

Энергия ветра

Различные виды НВИЭ находятся на различных стадиях освоения. Как это ни парадоксально, наибольшее применение получил самый изменчивый и непостоянный вид энергии – ветер.  Особенно активно развивается ветроэнергетика – 24% в год.  Сейчас это наиболее быстро растущий сектор энергетической промышленности в мире. Во многих странах возникла новая отрасль – ветроэнергетическое машиностроение. По-видимому, и в ближайшей перспективе ветроэнергетика сохранит свои передовые позиции. Мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия. В Европе ветрогенераторы стали привычным элементом пейзажа. Например, в Дании 13% электроэнергии уже сейчас вырабатывается с помощью возобновляемых источников. Половина ветровых турбин изготавливается именно в этой стране, отсюда их развозят по всему свету.

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка. В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не был обособлен от общих тенденций времени – использовать ветер, где это только возможно.

Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном “Фраме” (“Фрам” [фр. frum вперед] – исследовательское судно Ф. Нансена, исследователя Арктики) он вращал динамомашину. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы. В России к началу ХХ века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт. Сложившаяся ситуация отнюдь не обусловливалась местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США к 1940 году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать – экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию.

Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее создатель и владелец П. Путнэм изложил свой горестный опыт в прекрасной книге “Энергия ветра”, которая не потеряла до сих пор своей актуальности. Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике сороковых годов не были случайны. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует и низкие цены, и удовлетворительную экологическую чистоту.

Существенным  недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.

 

Энергия океанских течений

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".

 

Заключение  и вывод

Тема об источниках энергии на данный момент довольно актуальна и своевременна, ведь совсем недавно человечество обнаружило, что традиционные источники энергии могут скоро иссякнуть, а альтернативные пока недостаточно развиты для обеспечения человечества нужным количеством энергии. Для решения этих задач в разных странах финансируются исследовательские группы, которые занимаются поиском и разработкой разного вида источников энергии, и пока это один из самых острых вопросов о будущем развитии человеческой цивилизации.

Привычное для  нас электричество стало неотъемлемой частью нашей жизни, ведь именно благодаря ему стало возможным такие, еще лет десять назад казались бы фантастические, вещи, как телевидение, интернет, микротехнологии и т. п. Таким образом, мы видим, что развитие энергетики является одной из наиболее важных аспектов дальнейшего развития общества. Ну и на последок хотелось бы процитировать слова песни одной группы, представленной уже новым поколением: «Я глотаю чистый воздух жадно и редко, я навсегда в плену розетки…»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

 

1.      Энергетические ресурсы мира. Под редакцией Непорожного П.С., Попкова В.И. - М.: Энергоатомиздат. 1995 г.

2.      Огородников  И.А., Огородников А.А. «На пути к устойчивому развитию: экодом. Сборник материалов» М.: Социально-экологический союз, 1998г.

3. Журнал «Техника молодежи» №5, 1990г.

4. Лаврус В.С. «Источники энергии» К.: НиТ 1997г.

5. Интернет ресурсы (/ru.Wikipedia.org/, /alternativenergy.ru/)