Традиционные способы получения электрической и тепловой энергии – 1.(15)Энергия и ее виды. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии. Экологические проблемы использования традиционных источников энергии.

Содержание

1.(15)Энергия и ее виды. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии. Экологические проблемы использования традиционных источников энергии.

Энергия(от греч.energeie- действие, деятельность) представляет собой общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. Это способность к совершению работы, а работа совершается тогда, когда на объект действует физическая сила (давление или гравитация)Различают следующие виды энергии: механическая; электрическая; тепловая; магнитная; атомная. Тепловая электростанциявключает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в механическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию. Котельная установка представляет собой комплекс устройств для получения водяного пара под давлением или горячей воды. Она состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования, газо- и воздухопроводов, трубопроводов пара и воды с арматурой, тягодутьевых устройств и др.

Районные, или производственные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства или самого предприятия. С вводом в действие ТЭЦ некоторые из них остались без дела и могут использоваться как резервные и пиковые, и тогда их называют резервно-пиковыми. Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. АЭС работает на ядерном горючем (в основе 233U, 235U, 239Pu). Гидроэлектростанция представляет собой комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоёмов преобразуется в электрическую энергию. Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива.

Экологические проблемы тепловой энергетики В результате работы ТЭС в связи с недостаточной очисткой топочных газов и сжиганием низкосортного топлива в атмосферу поступают различные газообразные загрязнители: основные из них: угарный газ (СО), углекислый газ (СО2), оксиды азота (NO,NO2), углеводороды (CmHn). а также высокотоксичное вещество бензапирен. ТЭС работающие на угле являются также источником выбросов диоксида серы (SO2). Поступление этих загрязнителей в атмосферу вызывает массу экологических проблем (парниковый эффект, смоги, кислотные дожди, нарушение озонового слоя и др.).При работе ТЭС на угле образуются также зола, шлаки, для складирования, которых требуются огромные территории земель. Зола и шлак содержат в своем составе

тяжелые металлы, радиоактивные элементыв незначительном количестве, которые разносятся ветром и накапливаются на прилегающей территории. Большие объемы воды расходуются на ТЭС на охлаждение агрегатов.ТЭС является источником теплового загрязнения. Вода, используемая для охлаждения агрегатов, проходит охлаждение в градирнях, прудах–охладителях и зачастую теплая сбрасывается в водные объекты, обусловливая их тепловое загрязнение. Выбросы большого количества тепла и углекислого газа способствуют повышению температуры на Земле. Значительные территории земель отводятся при добыче угля для складирования пустой породы. Отвалы пустых пород пылят, часто самовозгораются и являются источников выбросов в атмосферу продуктов их горения. Топливно-энергетический комплекс АЭСвключает добычу урановой руды, выделение из нее урана (обогащение), производство ядерного топлива, использование его в ядерных реакторах, обработку, транспортировку и захоронение радиоактивных отходов.
Радиоактивные отходы
образуются на всех стадиях топливно-энергетического цикла и требуют специальных методов обращения с ними. Часть их подвергается переработке, основная же масса – захоронению.Технология захоронения очень сложная идорогостоящая. АЭС является источником теплового загрязнения. На единицу выпускаемой продукции на АЭС в 2 – 2,5 раза больше выбрасывается тепла, чем на ТЭС. Срок эксплуатации АЭС составляет около 30 лет. Значительные затраты требуются для вывода АЭС из эксплуатации. Основное решение этого вопроса заключается в устройстве саркофага над ними и дальнейшего обслуживания его в течение длительного времени. Основные экологические проблемы ГЭС связаны с созданием водохранилищ и затоплением значительных площадей плодородных земель
. В результате повышения уровня воды происходит подтопление прилегающих к водохранилищам территорий, заболачивание, дополнительное выведение из сельскохозяйственного оборота земель. С созданием водохранилищ нарушается миграция проходных рыбк своим обычным нерестилищам. В водохранилищах происходят большие потери воды за счет испарения со значительных водных поверхностей. С повыш. Испар-я происходит пониж. температуры, увел-е туманных явлений. В водохранилищах сниж. степень проточности воды, интенсивности водообмена, что приводит к накоп. загрязнителей ухудшению кач-ва воды. В них увел- кол-во орг. В-в за счет ушедших под воду экосистем (древесина, другие раст-е остатки, гумус почв и т.д.). При создании водохранилищ сниж. приток пресной воды в моря, озера, это приводит к сниж. уровня воды в морях, увел. солености воды, гибели многих видов рыб.

Традиционные способы получения электрической и тепловой энергии.

3.1 Назначение и основные типы электростанций

Возможности и способы получения, а правильнее сказать, преобразования энергии человечество изучает и осваивает не одну сотню лет. Производство энергии предполагает её получение в удобном для использования виде, а сам процесс получения – только преобразование из одного вида в другой. Процесс конечного потребления энергии также заключается лишь в трансформации её вида и/или качества.

Наиболее удобным из известных в настоящее время видов энергии является электроэнергия, которая по праву может считаться основой индустриальной цивилизации. Она обладает уникальным комплексом свойств, которые делают её незаменимой как в производстве, так и в повседневной жизни человека. Во-первых, электроэнергия универсальна, то есть может использоваться в самых различных целях. С помощью несложных приборов и устройств её можно преобразовать в механическую, тепловую, электромагнитную и химическую энергию. Во-вторых, электроэнергию относительно легко передавать на большие расстояния и распределять между потребителями, а учет её расхода реализуется на базе простых, недорогих и обладающих при этом высокой точностью измерительных приборов. Еще одним ценным достоинством электрической энергии является возможность бесконечного дробления и концентрирования её мощности, изменения напряжения и других рабочих параметров.

Количество потребляемой в мире электроэнергии стабильно увеличивается, причем темпы роста электропотребления превышают темпы роста потребления первичных энергоресурсов. Это вызвано указанными преимуществами электроэнергии, которые приводят к постепенному вытеснению других видов энергии, в частности органического топлива и тепловой энергии, из структуры энергоносителей, используемых конечными потребителями и обеспечивается появлением новых и совершенствованием существующих способов производства электроэнергии.

Основная часть электроэнергии вырабатывается централизованно на электростанциях. Электростанцией называется совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории. Выработка электроэнергии на электростанциях осуществляется путем преобразования первичной энергии (энергии, заключенной в первичных энергоресурсах). При этом традиционная энергетика базируется на использовании соответственно традиционных ПЭР: гидроэнергии крупных рек, ресурсов органического и ядерного топлива. Для использования различных видов ПЭР применяются разные типы электростанций; в названии типа обычно содержится указание на источник первичной энергии, например:

  • ТЭСтепловая электростанция вырабатывает электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива;

  • АЭСатомная электростанция вырабатывает электроэнергию путем преобразования энергии ядерного топлива;

  • ГЭСгидравлическая электростанция преобразует гидравлическую энергию (механическую энергию движения воды) в электроэнергию.

Указанные типы станций составляют основу современной электроэнергетики и обеспечивают более 95% мировых потребностей в электроэнергии.

Тепловая энергия является вторым по значимости и широте использования в различных сферах общественного производства видом энергии. В качестве теплоносителей обычно выступают горячая вода и водяной пар. Нагретая вода применяется для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых зданий, производственных помещений и объектов социальной сферы, а также в некоторых технологических процессах. Водяной пар расходуется преимущественно на технологические нужды промышленных предприятий. В нашей республике, характеризующейся довольно холодным климатом, количество энергии, потребляемой в виде тепла, почти в три раза превышает количество потребляемой электроэнергии.

В принципе, тепловую энергию требуемых параметров можно получать непосредственно на месте потребления путем преобразования электроэнергии.

Однако в рамках современных технологий выгоднее, как правило, использовать тепловую энергию, выделяющуюся при прямом сжигании топлива. Такое преобразование может осуществляться либо централизованно с последующей транспортировкой тепла к потребителям, либо прямо на месте потребления.

Традиционные способы получения электрической энергии.

Тепловые электростанции.

Тепловая электростанция (ТЭС) — это электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. ТЭС — основной вид электрических станций.

На тепловых электростанциях, энергия образуется путем сжигания топлива, сначала в механическую, а после и в электрическую. Топливом для ТЭС является: уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут, дрова. Тепловые электрические станции разделяют на конденсационные (КЭС), которая предназначена для выработки электроэнергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые производит электричество с помощью горячей воды и пара.

Тепловые конденсационные электростанции имеют невысокий кпд (30— 40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора. Что и указывает на их малую популярность, всё же значительная часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

Гидроэлектрические станции.

Гидроэлектрическая станция (ГЭС) — это сооружения и оборудования, благодаря которым из сильного потока воды преобразуют энергию в электрическую энергию, принцип работы состоит в создании достаточного напора воды, который позволяет крутить лопасти генератора. Таким образом, ГЭС преобразует механическую энергию в электрическую. Главная особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с другими топливно-энергетическими ресурсами — их непрерывная возобновляемость.

Атомные электростанции.

Атомная электростанция (АЭС) — это электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Главный генератор на АЭС – это атомный реактор. Тепло, выделяемым реактором, в результате деления ядер преобразуется в электроэнергию. Различие от ТЭС, работающих на простом горючем, АЭС работает на ядерном горючем.

АЭС имеет ряд преимуществ перед другими электростанциями. При правильной работе не загрязняется окружающая среда, не требуется привязанность и возобновляемость источника энергии. Но и существуют минусы в АЭС. Один из них и самый масштабный, при таких ситуациях как ( землетрясение, ураган и человеческий фактор) сбой в работе может привести к очень большим проблемам для всего человечества.

Нетрадиционныеспособы получения электрической энергии.

 

Солнечная энергия

Многие используют фотоэлектрические элементы (солнечное излучение) как альтернативный источник энергии. Лучи Солнца можно использовать как для получения теплоснабжения, так и для получения электроэнергии.

К главным преимуществам такой энергии можно отнести: возобновление источника, тихая работа,отсутствие вредных выбросов в окружающую среду. Недостатками же являются: солнечная энергия, которая зависит от времени суток и интенсивности излучения, и потребность в большой площади для строительства и размещения таких станций.

 

Ветряная энергия

Один из самых лучших видов источников энергии является ветер. Принцип работы ветрогенератора очень прост. Ветряная сила, используется для движения ветряных лопастей. Эти вращения передаются ротору электрического генератора. Таким образом, ветряная сила вырабатывает электрическую энергию.

Преимуществом является неисчерпаемость этой энергии, в местах с постоянными сильными ветрами. Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.

К недостаткам такого источника можно отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также они производят достаточно много шума, из-за чего их стараются разместить вдалеке от мест проживания людей.

Геотермальная энергия

Большое количество тепловой энергии хранится в недрах Земли. Так как температура ядра Земли очень высокая. Энергию этих геотермальных источников и предлагают использовать в качестве альтернативного источника энергии. Одни источники служат для теплоснабжения, другие – для получения электричества из тепловой энергии.

Главный плюс такого источника — это неисчерпаемость и независимость от времени суток и времени года. Минус же этого источника — термальные воды сильно минерализованы, и насыщены токсичными соединениями разных химических элементов. Что делает невозможным сброс обработанных термальных вод в поверхностные водоёмы. И такую воду необходимо закачивать обратно в подземный водоносный горизонт.


Читайте также:


Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Классификация первичной энергии. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии

Все существующие направления энергетики можно условно разделить на зрелые, развивающиеся и находящиеся в стадии теоретической проработки. Одни технологии доступны для реализации даже в условиях частного хозяйства, а другие могут использоваться только в рамках промышленного обеспечения. Рассматривать и оценивать современные виды энергетики можно с разных позиций, однако принципиальное значение имеют универсальные критерии экономической целесообразности и производственной эффективности. Во многом по этим параметрам сегодня расходятся концепции применения традиционных и альтернативных технологий генерации энергии.

Традиционная энергетика

Это широкий пласт сформировавшихся отраслей тепло- и электроэнергетики, обеспечивающей порядка 95% мировых потребителей энергии. Генерация ресурса происходит на специальных станциях — это объекты ТЭС, ГЭС, АЭС и т. д. Они работают с готовой сырьевой базой, в процессе переработки которой происходит выработка целевой энергии. Выделяют следующие стадии производства энергии:

  • Изготовление, подготовка и доставка исходного сырья на объект выработки того или иного вида энергии. Это могут быть процессы добычи и обогащения топлива, сжигание нефтепродуктов и т. д.
  • Передача сырья к узлам и агрегатам, непосредственно преобразующим энергию.
  • Процессы из первичной во вторичную. Эти циклы присутствуют не на всех станциях, но, к примеру, для удобства доставки и последующего распределения энергии могут использоваться разные ее формы — в основном тепло и электричество.
  • Обслуживание готовой преобразованной энергии, ее передача и распределение.

На завершающем этапе ресурс отправляется конечным потребителям, в качестве которых могут выступать и отрасли народного хозяйства, и рядовые домовладельцы.

Тепловая электроэнергетика

Самая распространенная отрасль энергетики в в стране производят более 1000 МВт, используя в качестве перерабатываемого сырья уголь, газ, нефтепродукты, сланцевые залежи и торф. Вырабатываемая первичная энергия в дальнейшем преобразуется в электричество. Технологически у таких станций масса преимуществ, которые и обуславливают их популярность. К ним можно отнести нетребовательность к условиям эксплуатации и легкость технической организации рабочего процесса.

Объекты тепловой энергетики в виде конденсационных сооружений и теплоэлектроцентралей могут возводиться прямо в районах добычи расходного ресурса или местах нахождения потребителя. Сезонные колебания никак не влияют на стабильность функционирования станций, что делает такие источники энергии надежными. Но есть и недостатки у ТЭС, к которым можно отнести применение исчерпаемых топливных ресурсов, загрязнение окружающей среды, необходимость подключения больших объемов трудовых ресурсов и др.

Гидроэнергетика

Гидротехнические сооружения в виде энергетических подстанций предназначены для выработки электричества в результате преобразования энергии потока воды. То есть, технологический процесс генерации обеспечивается сочетанием искусственных и природных явлений. В ходе работы станция создает достаточный напор воды, которая в дальнейшем направляется к турбинным лопастям и активизирует электрогенераторы. Гидрологические виды энергетики различаются по типу используемых агрегатов, конфигурации взаимодействия оборудования с естественными потоками воды и т. д. По рабочим показателям можно выделить следующие разновидности гидростанций:

  • Малые — вырабатывают до 5 МВт.
  • Средние — до 25 МВт.
  • Мощные — более 25 МВт.

Также применяется классификация в зависимости от силы напора воды:

  • Низконапорные станции — до 25 м.
  • Средненапорные — от 25 м.
  • Высоконапорные — выше 60 м.

К достоинствам гидроэлектростанций относят экологическую чистоту, экономическую доступность (бесплатная энергия), неисчерпаемость рабочего ресурса. В то же время гидротехнические сооружения требуют больших начальных затрат на техническую организацию аккумулирующей инфраструктуры, а также имеют ограничения по географическому размещению станций — только там, где реки обеспечивают достаточный напор воды.

В некотором смысле это подвид тепловой энергетики, но практически производственные показатели работы ядерных станций н

Раздел 2. Альтернативные источники получения электрической энергии

Тема 2.1. Нетрадиционные способы получения электрической энергии

2.1.1. Электростанции, использующие нетрадиционные виды энергии

Использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождается образованием многих загрязнителей воды и воздуха: выброс из дымовых труб, сброс тёплой воды в естественные водоисточники, ядерные отходы и т.д. Человек оказывает большое влияние на окружающую его среду. Традиционное производство электрической и тепловой энергии, дающее огромное количество вредных выбросов в атмосферу, ―один из многих видов деятельности человека.

Нетрадиционное получение электроэнергии получается более мягким в смысле воздействия на окружающую среду, чем сжигание ископаемого органического топлива. За последнее время интерес к нетрадиционным источникам энергии стал возрастать более интенсивнее. Так запасы ископаемого топлива понемногу исчерпывают себя. К 2050 году запасы угля, нефти и газа сократятся втрое по сравнению с 1980 годом, а природные виды энергии неисчерпаемы. Повышение цен на нефть, газ послужило главной причиной того, что человечество вновь обратило внимание на водную, ветровую, солнечную и другие виды энергии. Все эти виды энергии относятся к возобновляемым.

Солнечная энергия ― это самый значительный из всех нетрадиционных энергоресурсов. Она является источником ряда других неисчерпаемых источников энергии: ветровой, энергии приливных волн и волн морей и океанов, энергии разности температур слоёв воды в океанах, тепла геотермальных вод и т.д.

Солнечная энергия ― это кинетическая энергия излучения света и тепла, образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Энергия солнечных лучей у поверхности Земли изменяется в зависимости от местоположения данного района, времени суток и состояния атмосферы. Ежегодное количество солнечной энергии у поверхности земли превышает в 25 раз все разведанные запасы угля и в 3÷10 тысяч раз больше ежегодно расходуемой энергии человечеством.

Солнечную энергию можно использовать для производства электроэнергии различными способами: преобразованием её в тепловую энергию и затем в электрическую по обычной схеме ТЭС, непосредственным её преобразованием в электрическую энергию с помощью солнечных батарей. Солнечные электростанции устанавливаются в районах, где интенсивность солнечной радиации достаточно высока и стабильна. Например, в Средней Азии, Крыму, Забайкалье. В этих районах время солнечного освещения составляет 2000÷3000 часов в год.

Впервые солнечная электростанция (СЭС-5) была построена и введена в эксплуатацию на Крымском побережье Азовского моря мощностью 5 МВт. Идею создания солнечной электростанции (СЭС) выдвинул впервые российский инженер Н. В. Линицкий, который предложил использовать схему СЭС с центральным башенным приёмником (солнечной башней). Такое решение характерно для большинства работающих и строящихся СЭС. Крымская СЭС-5 предназначена главным образом для проведения экспериментов, направленных на отработку и усовершенствование систем и режимов эксплуатации крупных СЭС башенного типа. Вместе с тем, СЭС-5 вырабатывает электроэнергию и выдаёт её в Крымскую энергосистему.

В чём же заключается башенный принцип СЭС? Вокруг центрального приёмника, который называется солнечной башней, предусматривается большое поле огромных зеркал (гелиостатов), вращающихся вслед за солнцем и отражающих солнечные лучи на вершину солнечной башни. Являясь отличными рефлекторами, они отражают почти 90% падающего солнечного излучения. Благодаря вогнутой форме зеркала концентрируют пучок света в направлении парогенератора, установленного на вершине солнечной башни. При помощи двух электродвигателей гелиостаты поворачиваются по азимуту и высоте. Ночью, а также в несолнечные часы или при большой скорости ветра гелиостаты устанавливают неподвижно зеркальной поверхностью вниз, к земле, чтобы на них не оседала пыль. Солнечные лучи нагревают поверхность барабанного парогенератора с естественной циркуляцией. Получаемый пар используется для выработки электроэнергии в турбоагрегате. Например, на СЭС-5 в Крыму стоит реконструированная турбина типа ПТ-12-35/10М. Высота башни составляет 70 м, площадь поверхности нагрева парогенератора 154 м2. Расход электроэнергии на собственные нужды СЭС-5 достаточно велик и составляет 15%. КПД по энергии отражённого от зеркал теплового потока равен около 15%, а термический КПД электростанции составляет 32%. Основной недостаток солнечных электростанций с солнечной башней ― это перебои их работы в ночное время, при непогоде и широкого распространения они не получили.

Другой принцип солнечных электростанций ― это применение солнечных прудов. Это более дешёвый способ улавливания солнечной энергии. Искусственный водоём частично заполняется рассолом (очень солёной водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остаётся на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему остывать. Другими словами, в солнечных прудах используется тот же принцип, что и парниках, только земля и стекло заменены соответственно рассолом и пресной водой. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещения, или использоваться для выработки электроэнергии. Горячим раствором нагревают жидкости с низкой точкой кипения, которые, испаряясь, приводят в движение турбогенераторы низкого давления. Так как солнечный пруд представляет собой высокоэффективный теплоаккумулятор, то с его помощью можно получать энергию непрерывно.

К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них нужны большие площади, причём относительно недалеко от потребителя (в пределах 80 км).Иначе потери при передачи электроэнергии на более дальние расстояния будут недопустимо высоки.

К преимуществам можно отнести следующее:

1. при замене солнечной энергии ископаемого топлива уменьшается загрязнение воздуха и воды.

2. Замена ископаемого топлива означает сокращение добычи нефти.

3. Заменяя атомное топливо, снижается угроза распространения атомного оружия и засорения окружающей среды атомными отходами.

Другим методом производства электрической энергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура, имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этой жидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Такие установки, которые используют фреон в качестве теплоносителя второго контура, в настоящее время разработаны для промышленного освоения в диапазоне температур в пределах 100÷1500С и при единичной электрической мощности 10÷100 КВт. Такие установки могут быть использованы для производства электроэнергии в отдалённых районах.

Теперь рассмотрим горячие системы вулканического происхождения. К этому типу геотермальных ресурсов относится магма. Получение геотермальной энергии непосредственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии магмы, только начинает разрабатываться.

Предварительные технические разработки этого метода предусматривают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящей через магму.

Рис. 49.

Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания магмы, а затем через неё в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону породы с трещинами пробуривают вторую скважину. Геотермальные системы этого типа могут существовать в тех районах, где в зоне с высокими значениями теплового потока располагаются глубокозалегающий осадочный бассейн. Это ― парижский, Венгерский бассейны. В этих зонах температура воды, поступающая из скважин, может достигать 100÷1500С. Такие станции будут работать лет через 12÷15.

Самыми большими резервуарами накопленной энергии являются огромные пространства беспрерывно перемещающихся водных потоков ― это океаны, покрывающих около 71% всей земной поверхности. Известно, что запасы энергии в мировом океане колоссальны. Так тепловая (внутренняя), соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными на 200С, имеет величину порядка 1023 КДж. Кинетическая энергия океанских течений, приливов и отливов оценивается величиной 1016 КДж. Но пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии. Да и то ценой больших капиталовложений и долгосрочной окупаемостью. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемых топлив, особенно нефти и газа, использование которых к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды, включая сюда также и тепловое «загрязнение» от ТЭС и АЭС, и грозящее различными катаклизмами, в том числе и климатическими последствиями повышения уровня атмосферной углекислоты.

Наиболее очевидным способом использования океанской энергии представляется постройка приливных электростанций (ПЭС).

Солнце нагревает воздух и вызывает ветры, волнующие поверхность океана. Оно же нагревает воду, накапливающую тепловую энергию. Солнечное и лунное притяжение вызывает приливы и отливы, периодически перемещающие огромные массы воды.

Могущественный древний король Норвегии, Дании и Англии Канют готовился к торжественному и совершенно необходимому ритуалу ― ему предстояло остановить океанские воды, накатывающие на берег. Он облачался в королевские одежды, брал в руки скипетр, садился на трон, который устанавливали на носилки, и приказывал своим подданным нести его на берег. Там он дожидался, пока прилив достигал высшей точки. Только тогда поднимал он свой скипетр и грозно повелевал океанским волнам остановиться и ступать назад. Волны послушно отступали. Неизвестно, верил ли он в свою власть над водами или просто использовал наблюдения за строгой периодичностью приливов и отливов, но для него и его придворных ― людей, живших более 1000 лет назад, происхождение приливов и отливов, видимо, было совершенно загадочным.

Многие века задумывались люди над тем, что заставляет могучие воды океана с точностью хронометра дважды в сутки подниматься и опускаться. В средние века некоторые были убеждены, что приливы происходят из-за того, что ангел небесный опускает ногу в воды океана. Только теория всемирного тяготения, предложенная Ньютоном, смогла правильно истолковать загадочное явление.

Именно притяжение Солнца и Луны создаёт гигантскую приливную волну. Энергия, которую несёт с собой эта волна, колоссальна. Приливная волна Индийского океана катится на 250 километров против течения реки Ганг, а приливная волна Атлантического океана распространяется по могучей Амазонке на 900 километров. В некоторых местах высота её достигает 18÷20 метров.

Трение приливной волны о дно берега затормаживает даже вращение Земли. Разумеется, за время жизни одного поколения это торможение совершенно неощутимо, но за миллионы лет счёт времени пойдёт уже не за секунды. За последние 400 миллионов лет длина земных суток из-за этого торможения увеличилась на целых два часа: с 22 до 24 часов. Именно по торможению вращения Земли удалось подсчитать общий энергетический потенциал прилива. Это 1,7 млрд. кВт, из которых примерно одна треть приходится на долю морского прилива у берегов. Пренебрегать таким источником энергии человек просто не имеет право.

По-настоящему задумались инженеры об использовании силы прилива в ХХ веке, когда появились не только способы превращать приливную энергию в механическую, но и были освоены способы превращения механической энергии в электрическую.

В 1935 году американцы предприняли попытку построить мощную приливную электростанцию в заливе Пассамакводди. В проекте предусматривалось компенсировать основной недостаток приливной энергии ― её цикличность. Ведь прилив будет вращать турбину в одном направлении, а отлив – в другом, а между циклами неизбежна пауза, когда турбина вообще остановится. Эта задача решалась созданием огромного бассейна, в который вода должна была закачиваться во время самого высокого прилива, а затем постепенно использоваться для вращения турбин во время паузы.

Рис. 50 Схема образования приливной волны.

Уже вскоре стало ясно, что строительство электростанции обойдётся баснословно дорого ― почти вчетверо дороже, чем строительство тепловой электростанции. Через полгода после начала строительство было прекращено.

Исследования российских учёных показали, что не цикличность приливов привела к неудаче строительства приливной электростанции. Ничего не поделаешь с тем, что энергия приливов неравномерна. Нужно только правильно поставить задачу и не требовать непрерывной работы приливной электростанции с одной и той же мощностью.

Наши учёные предложили использовать приливную энергию для того, чтобы компенсировать неизбежные перепады в энергопотреблении, весьма значительные в зависимости от времени суток. Если создать связку речной ГЭС с приливной, то в паре они смогут обеспечить равномерное производство энергии. Когда прилив высок, ГЭС сможет уменьшить производство энергии, а сэкономленная в водохранилище вода будет использована в период слабых приливов. А в то время, когда наступит пауза между приливом и отливом, нагрузку возьмёт на себя ГЭС.

С 1967 г. в устье реки Ранс во Франции на приливах высотой до 13 м работает ПЭС мощностью 240 МВт. При строительстве электростанции «Ранс», которая возводилась прямо на месте её будущей работы, почти четвёртая часть средств ушла на устройство перемычки и осушение котлована для машинного зала.

Российский инженер Бернштейн разработал удобный способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал процедуру включения ПЭС в энергосети в часы их максимальной нагрузки потребителям. По его идее была построена ПЭС в 1968 г. в Кислой губе недалеко от г. Мурманска.

Летом 1968 года от мыса Притыка вблизи Мурманска отошёл необычный караван. Могучие буксиры тащили за собой понтоны, а на них располагалось здание приливной электростанции. Караван благополучно прошёл почти сто километров по Кольскому заливу и доставил свой груз в губу Кислую, где здание со смонтированными в нём гидроагрегатом и технологическим оборудованием поставили на заранее подготовленное основание.

Этот наплавной метод строительства приливных электростанций во всём мире известен под названием «советский». Преимущества его огромны. Во-первых, строительство электростанций ведётся не в суровых условиях морского побережья, а во вполне благоприятной заводской обстановке где-нибудь в приморском промышленном центре. Готовые блоки по морю переправляются к месту своей будущей работе. Во-вторых, отпадает необходимость в устройстве перемычек, которыми при строительстве от моря отсекается залив, предназначенный выполнять роль бассейна будущей приливной электростанции.

Когда появились первые проекты приливных электростанций, многие специалисты утверждали, что их сооружение является просто дорогостоящим капризом. Но работы инженеров и специалистов многих стран, опыт эксплуатации первых электростанций наглядно показали, что приливная энергетика ― это вполне реальное дело. По некоторым оптимистическим оценкам специалистов, электростанции, использующие энергию приливов, уже скоро смогут дать человечеству заметную часть необходимой энергии.

Российский метод строительства приливных электростанций наплавленным способом привёл к тому, что стоимость одного киловатта мощности даже у экспериментальной Кислогубской приливной электростанции (ПЭС) лишь ненамного превысила стоимость киловатта, полученного привычными способами.

В настоящее время в России разрабатываются проекты гигантских приливных электростанций.

Уже много лет размышляют специалисты над проблемой использования энергии волн, рождённых ветром и морем. Особенно интенсивно такие исследования ведутся в островных

Рис. 51 Буксировка здания приливной электростанции.

странах: в Великобритании и Японии. Число энтузиастов было столь велико, что только в Великобритании к 1980 году было запатентовано около 340 устройств, перерабатывающих энергию волн. Однако из-за огромных недостатков ни одно из этих устройств не получило практического воплощения.

К настоящему времени осталось всего несколько конструкций, усовершенствованием которых занимаются учёные и инженеры.

Одна из таких конструкций, получившая название «нырок», разработана профессором физики Эдинбургского университета Стефаном Солтером. Первая из построенных им моделей напоминала продолговатую каплю, покачивающуюся в воде, словно ныряющая утка, чем и объясняется название устройства. «Нырок» поднимается и опускается вместе с волнами, при этом он приводит в действие насос. Насос качает воду, которая вращает турбину, и генератор производит ток.

В готовом виде волновая электростанция будет состоять из многочисленных стальных и цементных ячеек, каждая размером с дом. В открытом море волны приведут в действие гигантские гидравлические насосы, вода под давлением поступит в электрогенератор, который будет вырабатывать электроэнергию, передаваемую на берег по подводному кабелю.

П

Рис. 52 «Нырок» Солтера.

о расчётам авторов данного проекта, с одного метра цепи, состоящей из таких поплавков, можно будет получать от 30 до 50 кВт электроэнергии. Цепь длиной в 480 километров выработает столько энергии, сколько производят её в настоящее время все электростанции Великобритании.

В восьмидесятых годах прошлого века приступили к испытаниям ещё одной конструкции, предназначенной для использования энергии морских волн. Это устройство представляет собой плот, состоящий из трех шарнирно соединенных между собой понтонов. Понтоны, повторяя движения волнующейся водной поверхности, приводят в движение гидравлические устройства, которые, в свою очередь, соединены через гидросистему с генератором. По оценкам авторов проекта, одиночный плот размером 50 на 100 метров способен произвести 2000 кВт электроэнергии. Предполагается создать цепь таких плотов в бурном море вблизи берегов Шотландии. Цепь длиной 25 километров, по предположениям ученых, сможет развить мощность до 500 тысяч кВт. Это близко к мощности Днепрогэса.

Первыми создателями действующих устройств, преобразующих энергию волн в электрическую, были японские инженеры. Они создали портовые бакены, или буи, которые светили, используя электричество, рожденное энергией волн. Волновая энергия преобразовывалась в электрическую либо посредством длинных вертикальных стержней, приводимых в движение волнами, либо посредством механизмов маятникового типа, раскачиваемых волнами. Сейчас сотни таких бакенов, установленных в разных местах океана, указывают путь кораблям светом, рожденным волновой энергией. Разрабатываются в Японии и проекты крупномасштабных волновых электростанций. В основу их положен принцип использования воздуха, который сжимается подвижными частями электростанции под действием волн, а потом приводит в движение воздушную турбину, вращающую электрогенератор.

Заманчивой кажется и идея использования энергии морского прибоя, особенно сильного в Северной Атлантике. Некоторая часть этой огромной энергии должна вскоре начать использоваться у берегов Норвегии. Прибойная электростанция, по замыслу норвежских инженеров,— это устойчивое бетонное сооружение с открытой в сторону моря камерой, в которую попадают волны прибоя. Под водой у камеры имеется широкое отверстие, выходящее в вертикальную бетонную шахту, в верхней части которой установлена воздушная турбина.

Накатывающаяся вода заполняет камеру, уровень воды в шахте повышается, а когда вода спадает — понижается. Поверхность воды в шахте становится своеобразным поршнем, который движется и прогоняет воздух через турбину. Хотя поток воздуха все время меняет направление, конструкция турбины такова, что направление ее вращения от направления потока воздуха не зависит. Как обычно, турбина вращает электрогенератор. Задача решена — механическая энергия прибоя превратилась в удобную для использования электрическую.

Мощность экспериментального блока — 400 кВт. Если его эксплуатация окажется успешной, ничего не препятствует постройке целой цепи таких блоков, которые смогут производить большие количества энергии.

Все подобного рода экспериментальные установки пока еще очень несовершенны. Неясно, можно ли вообще создать мощную волновую электростанцию? Как она будет себя вести при шторме? Может быть, генераторы не выдержат сильных волн? Абсолютно неясно, существуют ли материалы, способные долгое время выдерживать воздействие морской воды, не подвергаясь коррозии,— ведь необходимость в частой замене проржавевших узлов может оказаться экономически невыгодной. В общем, вопросов пока больше, чем ответов. Остается лишь надеяться, что усилия ученых принесут плоды и огромная энергия морских волн перестанет расходоваться впустую, не внося своего вклада в мировой энергетический баланс.

Рис. 53 Электростанция, использующая энергию воды и ветра.

Есть еще один источник энергии, заключенной в океане, который будоражит воображение изобретателей. Это — энергия морских течений, могучих рек в океане, несущих невообразимые массы воды. Крупнейшие из них — Гольфстрим и Куросио — несут, соответственно, 83 и 55 млн. м3 воды в секунду. С точки зрения энергетики, это означает примерно 3 млрд. неиспользованных кВт! Трудно пройти мимо столь обильного и постоянного источника энергии. Проекты использования энергии морских течений на благо людей не заставили себя ждать.

Существование океанских течений отметил еще Христофор Колумб. В своем плавании к берегам Южной Америки он попал в полосу быстрого западного течения. Тогда великий путешественник сделал в своем дневнике примечательную запись: «Я считаю доказанным, что воды морей, как и небеса, движутся с востока на запад». Но еще много веков причины возникновения устойчивых течений в океане оставались невыясненными. Только в 1835 году Гаспар Густав де Кориолис, знаменитый французский математик и механик, опубликовал работу, в которой вывел уравнения, описывающие влияние вращения Земли на возникновение воздушных и водных течений, и обнаружил существование неизвестных ранее сил, названных кориолисовыми. В честь Кориолиса получил имя разрабатываемый в США проект использования энергии американской части Гольфстрима — Флоридского течения.

Это течение несет в пятьдесят раз больше воды, чем все реки мира. Да и скорость его довольно приличная — свыше 8 километров в час. Ученые подсчитали: если удастся извлечь хотя бы 4% заключенной в течении энергии, мощность станции могла бы составить один-два миллиона киловатт.

Рис. 54 Установка турбины по проекту «Кариолис».

По проекту «Кориолис» у побережья Флориды должны быть установлены десятки гигантских труб, размером с городской квартал с заключенными в них водяными турбинами. Заякоренные на небольшой глубине, они смогут так же непрерывно, как постоянно само течение, вырабатывать электроэнергию, которой, по расчетам авторов проекта, должно хватить для удовлетворения всех нужд штата. Экологически этот способ получения энергии совершенно чист, окружающая среда не загрязняется. Высказывались опасения, что из-за работы турбин в океане могут возникать огромные волны, но исследования показали, что волны не превысят обычных. Конечно, трудности осуществления проекта и технические, и экономические — огромны. Изобретатели, однако, не теряют оптимизма.

Возможно, в недалеком будущем пройдут первые эксперименты на небольших моделях агрегатов. «Мини-Кориолисы» предполагается установить у берегов Австралии, в Торресовом проливе, где скорость морского течения составляет 15 километров в час. Подводные турбины диаметром около шести метров и мощностью 400 кВт послужат хорошей моделью, на которой изобретатели смогут отработать основные узлы будущих турбин-гигантов.

Не только механической энергией — энергией приливов, морских течений и волн — богат океан. Это — самый большой на Земле аккумулятор тепловой энергии. На поверхности океана в тропиках вода нагрета до 20—25°С. В глубине она гораздо холоднее. А если есть разность температур, значит, есть и возможность получения энергии. Поэтому в последние годы появились проекты извлечения из океана и этой энергии.

Собственно, никаких новых научных проблем использование тепла океана не ставит. Более ста лет назад французский физик д’Арсонваль предложил использовать имеющуюся в океане разность температур для получения энергии. Принцип действия морской тепловой электростанции прост: теплая океанская вода направляется в теплообменник, в котором испаряется какая-либо низкокипящая жидкость (д’Арсонваль предложил использовать в качестве такой жидкости аммиак, температура кипения которого всего 33,3°С). Пары аммиака вращают турбину, вырабатывающую электроэнергию, а потом поступают в другой теплообменник, в который подается холодная вода с тысячеметровой глубины, где ее температура все­го 5°С. Пары аммиака конденсируются, аммиак вновь поступает в первый теплообменник. Цикл повторяется.

Казалось бы, все довольно просто, но технические трудности в осуществлении такого проекта оказались немалыми. Совсем не просто изготовить теплообменник для столь небольшой разницы температур, нелегко поднять воду с большой глубины, сложно передать энергию на берег.

Тем не менее еще в 1929 году соотечественник д’Арсонваля Жорж Клод совершил первую попытку извлечь тепловую энергию океана и преобразовать ее в электрическую. Чтобы не задумываться над проблемой передачи энергии на сушу, Клод построил свою электростанцию на берегу залива Матансас на Кубе. Это была станция, работающая в так называемом открытом цикле: нагретая морская вода использовалась для приведения в действие паровой установки, а затем сбрасывалась обратно в океан. Открытый цикл очень усложнял установку — ведь чтобы превратить воду в пар при низкой температуре, нужно создать вакуум (при нормальном давлении, как известно, вода кипит примерно при 100° С, и температура кипения снижается только с падением давления). Изобретателю удалось преодолеть затруднения, и первая электростанция, использующая тепловую энергию океана, вскоре дала ток. Мощность ее составила 22 кВт, но чтобы их получить, приходилось тратить 80 кВт на работу вакуум-насоса и насосов, подающих холодную воду по трубе длиной два с половиной километра. Но цель изобретателя была достигнута: энергию получить удалось! Дальнейшему совершенствованию установки помешала авария — во время шторма была повреждена и унесена в море труба для подачи холодной воды. Эксперимент пришлось прекратить. Впоследствии Клод сделал еще несколько попыток построить энергетические установки, использующие теплую воду тропических морей. Все они завершились неудачей. Только в наши дни, используя достижения науки и техники, возобновились попытки использовать тепловую энергию океана. Специалисты разных стран объединились для разработки и выполнения обширной программы исследований, получившей название «ОТЕК».

Рис.55.

С августа по ноябрь 1979 года вблизи Гавайских островов производилась пробная эксплуатация установки «Мини-ОТЕК» мощностью 50 кВт. В ней в качестве теплоносителя использовался жидкий пропан, а в качестве привода генератора — турбина высокого давления. Эти усовершенствования дали возможность существенно превзойти результат Жоржа Клода. Испытания малютки прошли вполне удовлетворительно, и новая станция, «ОТЕК-1», мощностью уже тысячу киловатт готовится к спуску на воду. Испытания этой станции должны продолжаться три года. Исследователи хотят выяснить, не будут ли портиться теплообменники, которые невозможно предохранить от попадания водорослей и микроскопических обитателей океана ― бактерий.

Огромные запасы энергии также скрыты в текущей воде рек. Люди научились использовать энергию рек раньше всего. Появились гидроэлектростанции сначала небольшой мощности, а затем и значительной. Производство электроэнергии на ГЭС происходит следующим образом: вода из водохранилища поступает вниз через длинный прямой канал, называемый напорным трубопроводом, и направляется горизонтально вращающиеся лопасти турбины.

Вертикальный вал турбины соединён с блоком генератора. КПД ГЭС обычно составляет 60÷70%, то есть 60÷70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию. В поисках альтернативных источников энергии во многих странах немалое внимание уделяют ветроэнергетике. Для того чтобы строительство ветроэлектростанции оказалось экономически оправданным, необходимо, чтобы среднегодовая скорость ветра в данном районе составляла не менее 6 метров в секунду. В нашей стране ветряные электростанции можно строить на побережьях Чёрного, Балтийского и Каспийского морей, в Нижнем Поволжье, на юге Западной Сибири и т.д. Но самый большой ветропотенциал имеют побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов, в том числе полуостров Ямал, Таймыр, Камчатка, Чукотка и близлежащие острова.

Рис. 56 Различные типы ветроагрегатов

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока, который затем можно преобразовать в переменный ток. При использовании ветра возникает серьёзная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в период безветрия. Самый простой способ состоит в том, что ветряное колесо может двигать насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.

Рис.56 Разные типы современных ветроагрегатов.

Энергия и ее виды. Традиционные способы получения тепловой и электрической энергии

Все это разные виды энергии. Для всех происходящих в природе процессов требуется энергия. При любом процессе один вид энергии преобразуется в другой. Продукты питания – картофель, хлеб и т.д. – это хранилища энергии. Почти всю используемую на Земле энергию мы получаем от Солнца. передает Земле столько энергии, сколько произвели бы 100 миллионов мощных электростанций.

Виды энергии

Энергия существует в самых разных видах. Кроме тепловой, световой и энергии есть еще химическая энергия, кинетическая и потенциальная. Электрическая лампочка излучает тепловую и световую энергию. Энергия звука передается при помощи . Волны вызывают вибрацию барабанных перепонок, и поэтому мы слышим звуки. Химическая энергия высвобождается в ходе . Продукты питания, топливо (уголь, бензин), а также батарей­ки — это хранилища химической энергии. Пищевые продукты — это склады химической энергии, высвобождающейся внутри организма.

Движущиеся тела обладают кинетической энергией, т.е. энергией движения. Чем быстрее движется тело, тем боль­ше его кинетическая энергия. Теряя скорость, тело теряет кинетическую энергию. Ударяясь о неподвижный объект, движущееся тело передает ему часть своей кинетической энергии и при­водит его в . Часть энергии, получаемой с пищей, животные обращают в кинетическую.

Потенциальной энергией обладают тела, находящиеся в силовом поле, например в гравитационном или магнитном. Эластичные или упругие тела (обладающие способностью вытягиваться) имеют потенциальную энергию натяжения или упругости. Маятник обладает максимальной потенциальной энергией, когда находится в верхней точке. Разворачиваясь, пружина освобождает свою потенциальную энергию и заставляет колёсики в часах вращаться. Растения получают энергию от и производят питательные вещества — создают запасы химической энергии.

Превращение энергии

Закон сохранения энергии говорит, что энергия не создается из ничего и не теряется бесследно. При всех происходящих в природе процессах один вид энергии превращается в другой. Химическая энергия батареек фонарика превращается в электрическую. В лампочке электрическая энергия превращается в тепловую и световую. Мы привели пример этой «энергетической цепочки» чтобы показать вам, как один вид энергии превращается в другой.

Уголь — это спрессованные останки растении, живших много лет назад. Когда-то они получили энергию от Солнца. Уголь представляет собой запас химической энергии. Когда уголь сгорает, его химическая энергия прекращается в тепловую. Тепловая энергия нагревает , и она испаряется. Пар вращает турбину. производя тем самым кинетическую энергию — энергию движения. Генератор преобразует кинетическую энергию в электрическую. Разнообразные устройства — лампы, обогреватели, магнитофоны — потребляют электроэнергию и переводят в звук, свет и тепло.

Конечными результатами во многих процессах превращения энергии являются свет и тепло. Хотя энергия не пропадает, она уходит в пространство, и её трудно уловить и использовать.

Солнечная энергия

Энергия Солнца доходит до в виде электромагнитных волн. Только так энергия может передаваться через открытый космос. Она может использоваться для создания электроэнергии при помощи фотоэлементов или для нагревания воды в солнечных коллекторах. Панель коллектора поглощает тепловую энергию Солнца. На рисунке показана панель коллектора в разрезе. Черная панель поглощает поступающую от Солнца тепловую энергию, и вода в трубах нагревается. Так устроена крыша дома, обогреваемого Солнцем. Солнечная энергия передаётся воде, используемой для бытовых нужд и отопления. В энергохранилище попадают излишки тепла. Энергия сохраняется при помощи химических реакций.

Энергетические ресурсы

Энергия нужна нам для освещения и обогрева жилищ, для приготовления пищи, для того, чтобы могли работать заводы и двигать­ся автомобили. Эта энергия образуется при сгорании топлива. Есть и другие способы получения энергии — к примеру, ее производят гидроэлектростанции . Для приготовления пищи и обогрева жилья почти половина сжигает дрова, навоз или уголь.

Древесина, уголь, нефть и природный газ называются невозобновимыми ресурса­ми , так как их используют только один раз. Солнце, ветер, вода — это возобновимые энергоресурсы , так как сами они не исчезают при производстве энергии. В своей деятельности человек использует для добычи энергии ископаемые ресурсы – 77%, древесину – 11%, возобновляемые энергоресурсы – 5% и – 3%. Уголь, нефть и природный газ мы называем ископаемым топливом , так как мы добываем их из недр Земли. Образовались они из останков растений и животных. Почти 20% используемой нами энергии производится из угля. При сгорании топлива в попадают углекислый газ и другие газы. В этом отчас­ти заключается причина таких явлений, как кислотные дожди и парниковый эффект. Только около 5 процентов энергии добывается из возобновимых источников. Это энергия Солнца, воды и ветра. Еще один возобновимый источник энергии — газ, образующийся при гниении. Когда органические вещества гниют, выделяются газы, в частности метан. Из него в основном и состоит природный газ, который используется для обогрева домов и нагревания воды. На протяжении нескольких тысячелетий люди используют энергию ветра для пере­движения парусных судов и вращения ветряных мельниц. Ветер также может произ­водить электричество и перекачивать воду.

Единицы измерения энергии и мощности

Для измерения количества энергии употребляется специальная единица — джоуль (Дж). Тысяча джоулей составля­ют один килоджоуль (кДж). Обыкновенное яблоко (около 100 г) содержит 150 кДж химической энергии. В 100 г шоколада содержится 2335 кДж. Мощность — это количество энергии, используемой за единицу времени. Мощность измеряется в ваттах (Вт). Один ватт равен одному джоулю за секунду. Чем больше энергии за определенное время произ­водит тот или иной механизм, тем боль­ше его мощность. Лампочка мощностью в 60 Вт использует 60 Дж в секунду, а лампочка в 100 Вт использует за секунду 100 Дж.

Коэффициент полезного действия

Любой механизм потребляет энергию од­ного вида (например, электрическую) и превращает ее в энергию другого вида. Коэффициент полезного действия (КПД) механизма тем больше, чем большая часть потребляемой энергии превращается в необходимую энергию. КПД почти всех автомобилей невысок. В среднем автомобиль преобразует лишь 15% химической энергии бензина в кинетическую энергию. Вся остальная энергия превращается в тепло. КПД флуоресцентных ламп выше КПД обычных электрических лампочек, поскольку во флуоресцентных лампах больше электричества превращается в свет и меньше уходит на производство тепла.

Энергия — это то, благодаря чему существует жизнь не только на нашей планете, но и во Вселенной. При этом она может быть очень разной. Так, тепло, звук, свет, электричество, микроволны, калории представляют собой различные виды энергии. Для всех процессов, происходящих вокруг нас, необходима эта субстанция. Большую часть энергии все сущее на Земле получает от Солнца, но имеются и другие ее источники. Солнце передает ее нашей планете столько, сколько бы выработали одновременно 100 млн самых мощных электростанций.

Что такое энергия?

В теории, выдвинутой Альбертом Эйнштейном, изучается взаимосвязь материи и энергии. Этот великий ученый смог доказать способность одной субстанции превращаться в другую. При этом выяснилось, что энергия является самым важным фактором существования тел, а материя вторична.

Эн

59. Традиционные и нетрадиционные источники энергии. Их преимущества и недостатки.

Широкое практическое использование электроэнергии в сравнении с другими видами энергии объясняется относительной легкостью ее получения и возможностью передачи на большие расстояния.Традиционные источники электрической энергии: тепловая ТЭС, энергия потока воды — ГЭС, атомная энергия — АЭС.

Тепловые электростанции (ТЭС) вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании органического топлива (угля, нефти, газа). Невосполнимость этих природных ресурсов заставляет задуматься о рациональном их применении и замене более дешевыми способами получения электроэнергии.Гидроэлектростанция (ГЭС) — комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. При их сооружении также наносится вред окружающей среде: перегораживаются реки, меняется их русло, затопляются долины рек.Важнейшая особенность гидротехнических ресурсов в сравнении с топливно-энергетическими — их непрерывная возобновляемость.Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия используется для получения электрической. Генератором энергии здесь является атомный реактор. Тепло, выделяемое в нем в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, преобразуется в электроэнергию. АЭС работают на ядерном горючем (уран, плутоний и др.), мировые запасы которого значительно превышают запасы органического топлива.Нетрадиционные источники электрической энергии,где невосполняемые энергоресурсы практически не тратятся:ветроэнергетика, приливная энергетика, солнечная энергетика.

Ветроэнергетическая установка способна превращать энергию ветра в электроэнергию. Запасы ветровой энергии на территории нашей страны огромны, так как во многих районах среднегодовая скорость ветра составляет б м/с. Устройство ветроэнергетической установки достаточно простое: вал ветряного колеса, способного вращаться под действием ветра, передает вращение ротору генератора электрической энергии. Стоимость производства электроэнергии на ветровых электростанциях ниже, чем на любых других. Кроме того, ветроэнергетика экономит богатства недр. Недостатки ветроэнергетических установок — низкий коэффициент полезного действия, небольшая мощность. Они применяются там, где нет стабильного обеспечения электроэнергией — на нефтяных разработках, горных пастбищах, в пустынях и т. п.Приливная энергетика использует для производства электроэнергии энергию прилива и отлива Мирового океана. Два раза в сутки уровень океана то поднимается, то опускается. Это происходит под действием гравитационных сил Солнца и Луны, которые притягивают к себе массы океанской воды. У берега моря разности уровней воды во время прилива и отлива могут достигать более 10 м. Если в заливе на берегу моря в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилище во время прилива можно создать запас воды, которая при отливе будет спускаться в море и вращать гидротурбины. В нашей стране уже созданы и работают приливные электростанции. Основными недостатками такого способа производства электроэнергии являются неравномерность выработки электроэнергии во времени и необходимость сооружения дорогостоящих плотин и резервуаров для воды.Гелиоэнергетика (энергия Солнца). В настоящее время получение электроэнергии от гелиоустановок осуществляется с помощью солнечных батарей. Основу таких батарей составляют фотоэлементы — кристаллы кремния, покрытые тончайшим, прозрачным для света слоем металла. Поток фотонов — частиц света, проходя сквозь слой металла, выбивает электроны из кристалла. Электроны при этом начинают концентрироваться в слое металла, поэтому между слоем металла и кристаллом возникает разность потенциалов. Если тысячи таких фотоэлементов соединить параллельно, то получается солнечная батарея, способная питать электроэнергией электронную аппаратуру на космических кораблях, спутниках. В южных районах, где много солнечных дней в году, размещение на крышах домов солнечных батарей может частично обеспечить потребность в необходимой электроэнергии. Такие батареи используют и для питания электронных часов, калькуляторов и других устройств.МГД-генераторы. Основу современной электроэнергетики, как было уже отмечено, составляют теплоэлектростанции и гидроэлектростанции, в которых очень велики потери при преобразовании тепловой энергии (от сжигания топлива на ТЭС) или механической энергии (на ГЭС) в электрическую. Техническим устройством, в котором таких потерь практически нет, является магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор). Его действие основано на явлении электромагнитной индукции: в проводнике, движущемся в магнитном поле, возникает электрический ток. В МГД-генераторе происходит преобразование энергии, движущейся в магнитном поле плазмы, — раскаленного до очень высокой температуры газа — непосредственно в электроэнергию. Электрический ток, образованный свободными электронами и положительными ионами, возникает непосредственно в плазме и отдается во внешнюю цепь. Основная техническая проблема при создании МГД-генерато-ров — получение высоких температур (несколько тысяч градусов), необходимых для образования плазмы — газообразной смеси из свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов.В условиях все возрастающих тарифов на оплату энергоресурсов – топлива, тепловой и электрической энергии, а также воды – экономия и финансовые затраты на их оплату являются актуальной задачей для учреждений образования. Альтернативой традиционному централизованному энергоснабжению является поиск и использование нетрадиционных и низкопотенциальных видов энергии для системы теплоснабжения и электроснабжения образовательных учреждений. Использование энергии нетрадиционных, возобновляемых источников дает возможность экономить органическое топливо, снизить загрязнения окружающей среды, удовлетворить нужды потребителей как вдали от централизованной системы энергоснабжения, так и в близи от них, снимая дефицит финансовых затрат по оплате за энергопотребление.

Энергоснабжение образовательных учреждений от центральных и автономных источников требует больших затрат топлива на выработку тепловой и электрической энергии. Основными недостатками традиционных источников энергоснабжения является низкая энергетическая (особенно на малых котельных) экологическая и экономическая эффективность. При этом энергоснабжение от традиционных источников является одним из основных источников загрязнения окружающей среды.

Высокие тарифы, присущие традиционному энергоснабжению, усугубляют негативные факторы. Велики затраты на эксплуатацию тепловых сетей. Все перечисленные недостатки традиционного энергоснабжения устраняются при использовании нетрадиционных методов. К нетрадиционным, возобновляемым источникам энергии, применение которых является наиболее целесообразным для системы образования, относятся: солнечная энергия, энергия ветра, теплоты грунтовых вод, грунта, водоемов, окружающего воздуха. Возможности использования того или иного вида источника зависят от его особенностей.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *