ДИПЛОМНА РОБОТА
на тему:
«Альтернативні джерела енергії»
Зміст
Введення............................................................................................... 3
Розділ 1. Світ шукає енергію............................................................... 4
Передмова............................................................................................ 5
Енергія – з чого все почалося.............................................................. 8
Скільки потрібно енергії...................................................................... 12
Розділ 2. Альтернативні джерела енергії............................................ 15
Вітрова енергія..................................................................................... 16
Зберігання вітрової енергії.................................................................. 19
Енергія річок........................................................................................ 20
Енергія світового океану..................................................................... 27
Теплова енергія океану........................................................................ 27
Енергія приливів і відливів.................................................................. 28
Енергія морських течій........................................................................ 30
Енергія сонця........................................................................................ 32
Атомна енергія..................................................................................... 37
Воднева енергетика.............................................................................. 40
Сучасні і перспективні методи виробництва водню........................... 41
Використання водню............................................................................ 42
Висновок............................................................................................... 44
Список літератури................................................................................ 46
Введення
Енергія – не тільки одне з найчастіше обговорюваних сьогодні понять; крім свого основного фізичного (а в ширшому сенсі – природничонаукового) змісту, вона має численні економічні, технічні, політичні і інші аспекти.
Людству потрібна енергія, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком. Разом з тим запаси традиційних природних палив (нафти, вугілля, газу і ін.) кінцеві. Кінцеві також і запаси ядерного палива - урану, з якого можна отримувати в реакторах плутоній. Практично невичерпні запаси термоядерного палива – водню, проте керовані термоядерні реакції поки не освоєні і невідомо, коли вони будуть використані для промислового отримання енергії в чистому вигляді, тобто без участі в цьому процесі реакторів ділення. Залишаються два шляхи: строга економія при витрачанні енергоресурсів і використання нетрадиційних поновлюваних джерел енергії.
Дана дипломна робота є коротким, але обширним оглядом сучасного стану енергоресурсів людства. У роботі розглянутий розвиток енергетики, як галузі народного господарства, еволюція джерел енергії, а також проблеми освоєння і використання нових ресурсів енергії (альтернативні джерела енергії). Мета роботи – перш за все ознайомитися з сучасним положенням справ в цій незвичайно широкій проблематиці, аналіз нових шляхів отримання практично корисних форм енергії.
До нових форм первинної енергії в першу чергу відносяться: сонячна і геотермальна енергія, приливна, атомна, енергія вітру і енергія хвиль. На відміну від викопних палив ці форми енергії не обмежені геологічно накопиченими запасами (якщо атомну енергію розглядати разом з термоядерною). Це означає, що їх використання і споживання не веде до неминучого вичерпання запасів.
Розглянуті в роботі нові схеми перетворення енергії можна об'єднати єдиним терміном “екоенергетика”, під яким маються на увазі будь-які методи отримання чистої енергії, що не викликають забруднення навколишнього середовища.
Розділ 1.
Світ шукає енергію
Це вислів відомого індійського ученого ніколи не звучав так актуально, як в наші дні, коли людство, не зважаючи на величезні фінансові витрати, докладає всі зусилля для пошуку нових шляхів отримання енергії.
Проблеми, пов'язані з походженням, економічністю, технічним освоєнням і способами використання різних джерел енергії, були і будуть невід'ємною частиною життя на наший планеті. Прямо або побічно з ними стикається кожен житель Землі. Розуміння принципів виробництва і споживання енергії складає необхідну передумову для успішного вирішення тих, що набувають все велику гостроту проблем сучасності і в ще більшому ступені – найближчого майбутнього.
Світ, в якому ми живемо, можна вивчати з самих різних крапок зір. Нові знання ведуть до постійного їх звуження, до все більшій диференціації наукових дисциплін і відповідних ним областей людської діяльності. Результати об'єктивної оцінки “стану справ” в цих областях вельми різні.
Чому ж саме зараз, як ніколи гостро, встало питання: що чекає людство - енергетичний голод або енергетичний достаток? Не сходять із сторінок газет і журналів статті про енергетичну кризу. Із-за нафти виникають війни, розцвітають і бідніють держави, змінялися уряди. До розряду газетних сенсацій стали відносити повідомлення про запуск нових установок або про нові винаходи в області енергетики. Розробляються гігантські енергетичні програми, здійснення яких зажадає величезних зусиль і величезних матеріальних витрат.
Рівень матеріальної, а кінець кінцем і духовної культури людей знаходиться в прямій залежності від кількості енергії, наявної в їх розпорядженні. Щоб добути руду, виплавити з неї метал, побудувати будинок, зробити будь-яку річ, потрібно витратити енергію. А потреби людини весь час ростуть, та і людей стає все більше.
Так за чим же зупинка? Учені і винахідники вже давно розробили численні способи виробництва енергії, в першу чергу електричної. Давайте тоді будувати все більше і більше електростанцій, і енергії буде стільки, скільки знадобиться! Таке, здавалося б, очевидне рішення складної задачі, виявляється, таїть в собі немало підводних каменів.
Невблаганні закони природи стверджують, що отримати енергію, придатну для використання, можна тільки за рахунок її перетворень з інших форм. Вічні двигуни, нібито що проводять енергію і що нізвідки не її беруть, на жаль, неможливі. А структура світового енергогосподарства до сьогоднішнього дня склалася таким чином, що чотири з кожних п'яти проведених кіловат виходять в принципі тим же способом, яким користувалася первісна людина для зігрівання, тобто при спалюванні палива, або при використанні запасеної в нім хімічної енергії, перетворенні її в електричну на теплових електростанціях.
Звичайно, способи спалювання палива стали набагато складнішими і досконало.
Нові чинники - збільшені ціни на нафту, швидкий розвиток атомної енергетики, зростання вимог до захисту навколишнього середовища, зажадали нового підходу до енергетики.
У розробці енергетичної програми взяли участь видні учені країни, фахівці різних міністерств і відомств. За допомогою новітніх математичних моделей електронно-обчислювальні машини розрахували декілька сотень варіантів структури майбутнього енергетичного балансу. Були знайдені принципові рішення, що визначили стратегію розвитку енергетики на прийдешні десятиліття.
На жаль, запаси нафти, газу, вугілля зовсім не нескінченні. Природі, щоб створити ці запаси, було потрібно мільйони років, витрачені вони будуть за сотні років. Сьогодні в світі сталі серйозно замислюватися над тим, як не допустити хижацького розграбування земних багатств. Адже лише за цієї умови запасів палива може вистачити на століття. На жаль, багато нафтовидобувних країн живуть сьогоднішнім днем. Вони нещадно витрачають даровані їм природою нафтові запаси. Зараз багато з цих країн, особливо в районі Персидської затоки, буквально купаються в золоті, не замислюючись, що через декілька десятків років ці запаси вичерпаються. Що ж відбудеться тоді –, а це рано чи пізно трапиться, – коли родовища нафти і газу будуть вичерпані? Підвищення цін на нафту, необхідну не тільки енергетиці, але і транспорту, і хімії, що відбулося, примусило задуматися про інші види палива, придатні для заміни нафті і газу. Особливо замислювалися тоді ті країни, де немає власних запасів нафти і газу і яким доводиться їх купувати.
А поки в світі все більше вчених інженерів займаються пошуками нових, нетрадиційних джерел, які могли б узяти на себе хоч би частина турбот по постачанню людства енергією. Рішення цієї задачі дослідники шукають на різних шляхах. Найпринаднішим, звичайно, є використання вічних, поновлюваних джерел енергії-енергії поточної води і вітру, океанських приливів і відливів, тепла земних надр, сонця. Багато уваги приділяється розвитку атомної енергетики, учені шукають способи відтворення на Землі процесів, що протікають в зірках і забезпечують їх колосальними запасами енергії.
Енергія – з чого все почалося
Сьогодні нам може здаватися, що розвиток і вдосконалення людини відбувався неймовірно поволі. Йому в буквальному розумінні слова доводилося чекати милостей від природи. Він був практично беззахисний перед холодом, йому невпинно загрожували дикі звіри, його життя постійно висіло на волоску. Але поступово людина розвинулася настільки, що зумів знайти зброю, яка у поєднанні із здатністю мислити і творити остаточно прославило його над всім живим оточенням. Спочатку вогонь здобували випадково – наприклад, з дерев, що горять, в які ударила блискавка, потім стали здобувати свідомо: за рахунок тертя один об одного двох відповідних шматків дерева чоловік вперше запалив вогонь 80–150 тисяч років назад.
Після цього люди вже не відмовлялися від можливості використовувати вогонь в боротьбі проти суворих холодів і хижих звірів, для приготування здобутої їжі. Скільки спритності, наполегливість, досвіду та і просто везіння це вимагало! Уявимо собі людину, оточену незайманою природою, – без споруд, які б його захищали, без знання хоч би елементарних фізичних законів, із запасом слів, що не перевищує декількох десятків. До цього відкриття людина йшла дуже довго і розповсюджувалося Воно повільно, але ознаменувало собою один з найважливіших переломних етапів в історії цивілізації.
Впродовж сторіч ступінь використання нових джерел енергії - домашніх тварин, вітру і води – залишалася дуже низькою. Головним же джерелом енергії, за допомогою якої людина будувала житло, обробляла поля, “подорожувала”, захищалася і нападала, служила сила його власних рук і ніг. І так тривало приблизно до середини нашого тисячоліття. Правда, вже в 1470 р. був спущений на воду перший великий чотирьохщогловий корабель; близько 1500 р. геніальний Леонардо да Вінчі запропонував не тільки вельми дотепну модель ткацького верстата, але і проект споруди машини, що літає. Йому ж належать багато інших, для того часу просто фантастичні ідеї і задуми, здійснення яких повинне було сприяти розширенню знань і продуктивних сил. Але справжній перелом в технічній думці людства наступив порівняно недавно, небагато чим більше трьох сторіч тому.
Одним з перших гігантів на шляху наукового прогресу людства, поза сумнівом, був І. Ньютон. Цей видатний англійський природодослідник все своє довге життя і неабиякий талант присвятив павуку: фізиці, астрономії і математиці. Він сформулював основні закони класичної механіки, розробив теорію тяжіння, заклав основи гідродинаміки і акустики, значною мірою сприяв розвитку оптики, разом з Лейбніцем створив початки теорії числення нескінченно малих і теорії симетричних функцій. Фізику XVIII і XIX сторіч по праву називають ньютонівською. Праці Ньютона багато в чому допомогли помножити силу людських м'язів і творчі можливості людського мозку.
Промислова революція – так ми часто називаємо цю епоху великих відкриттів – істотно змінила перебіг життя на наший планеті. Одним з її наслідків було остаточне падіння феодалізму, який вже не міг пристосуватися до розвитку нових продуктивних сил, і зміцнення капіталістичних виробничих відносин.
Потім відбулося безліч відкриттів, пов'язаних з магнітними властивостями електричного струму. Французький фізик Андре Ампер став основоположником нової науки – вчення про електромагнетизм. Звідси залишався один крок до створення електродвигуна. Цей вирішальний крок допомогли зробити великий англійський фізик і хімік, колишній учень палітурника Майкл Фарадей, німецький фізик, що жив і працював в Росії. Герман Якобі і багато інших відомих і невідомих механіків, фізики і хіміки. Перші електродвигуни працювали від вдосконалених елементів вольтів. Вони володіли малою потужністю і поступово були витіснені двигунами змінного струму. Для цього потрібно було створити нові джерела такого струму – генератори, а потім турбіни, щоб приводити їх в рух.
Шлях до загальної електрифікації проходив через безліч крупних і дрібних відкриттів і винаходів. Але це був логічний і цілеспрямований шлях. Електричну енергію легко можна передавати на великі відстані і безпосередньо використовувати для найрізноманітніших цілей. Всі колишні машини і механізми вимагали “палива”, тобто джерела енергії, безпосередньо на місці: парова машина не в змозі працювати без достатньої кількості палива, вітряний млин – без вітру, водяний млин – без потоку води. А електричний двигун працює і за сотні кілометрів від джерела споживаної ним енергії.
Скільки людям потрібно енергії
Народження енергетики відбулося декілька мільйонів років тому, коли люди навчилися використовувати вогонь. Вогонь давав їм тепло і світло, був джерелом натхнення і оптимізму, зброєю проти ворогів і диких звірів, лікувальним засобом, помічником в землеробстві, консервантом продуктів, технологічним засобом і т.д.
Впродовж багатьох років вогонь підтримувався шляхом спалювання рослинних енергоносіїв (деревини, чагарників, очерету, трави, сухих водоростей і т.п.), а потім була виявлена можливість використовувати для підтримки вогню викопні речовини: кам'яне вугілля, нафта, сланці, торф.
Прийшов час пояснити, що ж таке енергія, тобто величина, вимірювана кілоджоулями. Відома і інша фізична величина - робота, що має ту ж розмірність, що і енергія.
Виявляється, питання має принципове значення. Енергія - слово грецьке, таке, що означає в перекладі діяльність.. Терміном "енергія" позначають єдину скалярну міру різних форм руху матерії. Енергію можна отримати при згоранні 1кг вугілля або 1кг нафти, які називаються енергоносіями. Закони фізики затверджують: та робота, яку можна отримати в реальних машинах і використовувати на наші потреби, буде завжди менше енергії в енергоносії. Енергія - це, по суті справи, енергетичний потенціал (або просто потенціал), а робота - це та частина потенціалу, яка дає корисний ефект. До цих пір за традицією ще застосовують поняття потенційної і кінетичної енергії, хоча насправді із-за величезної різноманітності видів енергії було б доцільно користуватися єдиним терміном - енергія. Таким чином, робота здійснюється в процесі перетворення одних видів енергії в інших і характеризує корисну її частину, отриману в процесі такого перетворення. Розсіяна в процесі здійснення роботи енергія незмінно перетворюється на тепло, яке повідомляється навколишньому простору. Оскільки процеси перетворення одних видів енергії в інших нескінченні, будь-яка робота врешті-решт переходить в тепло, тобто знецінюється. Це означає, що чим більше людство здобуває вугілля, нафти і інших енергоресурсів, тим більше воно зрештою нагріває навколишнє середовище.
Прогноз зростання потреби в енергії найчастіше пов'язують із зростанням чисельності населення Землі.
Світ наповнений енергією, яка може бути використана для здійснення роботи різного характеру. Енергія може знаходитися і знаходиться в людях і тваринах, в каменях і рослинах, у викопному паливі, деревах і повітрі, в річках і озерах, а ми, у свою чергу, розглянемо способи витягання цієї енергії і її перетворення.
Розділ 2.
Альтернативні джерела енергії.
Вітрова енергія.
Ми живемо на дні повітряного океану, в світі вітрів. Люди давно це зрозуміли, вони постійно відчували на собі дію вітру, хоча довгий час не могли пояснити багато явищ.
Величезна енергія рухомих повітряних мас. Запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. Постійно і всюди на землі дмуть вітри – від легкого вітерцю, що несе бажану прохолоду в літню спеку, до могутніх ураганів, що приносять незліченну утрату і руйнування. Завжди неспокійний повітряний океан, на дні якого ми живемо. Вітри, що дмуть на просторах наший країни, могли б легко задовольнити всі її потреби в електроенергії! Чому ж такий рясний, доступний та і екологічно чисте джерело енергії так слабо використовується? В наші дні двигуни, що використовують вітер, покривають всього одну тисячну світових потреб в енергії.
Середньорічна швидкість вітру на висоті 20–30 м над поверхнею Землі повинна бути чималою, щоб потужність повітряного потоку, що проходить через належним чином орієнтований вертикальний перетин, досягала значення, прийнятного для перетворення. Вітроенергетична установка, розташована на майданчику, де середньорічна питома потужність повітряного потоку складає близько 500 Вт/м2 (швидкість повітряного потоку при цьому рівна 7 м/с), може перетворити в електроенергію близько 175 з цих 500 Вт/м2.
Енергія, що міститься в потоці рухомого повітря, пропорційна кубу швидкості вітру. Проте не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично коефіцієнт корисного використання енергії повітряного потоку може бути рівний 59,3 %. На практиці, згідно з опублікованими даними, максимальний коефіцієнт корисного використання енергії вітру рівний приблизно 50 %, проте і цей показник досягається не при всіх швидкостях, а тільки при оптимальній швидкості, передбаченій проектом. Крім того, частина енергії повітряного потоку втрачається при перетворенні механічної енергії в електричну, яке здійснюється з ККД зазвичай 75–95 %. Враховуючи всі ці чинники, питома електрична потужність складає 30–40 % потужності повітряного потоку. Проте іноді вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей.
Новітні дослідження направлені переважно на отримання електричної енергії з енергії вітру. Прагнення використання вітру як енергії привело до появи на світло безлічі агрегатів. Деякі з них досягають десятків метрів у висоту, і, як вважають, з часом вони могли б утворити справжню електричну мережу.
Споруджуються спеціальні станції переважно постійного струму. Вітряне колесо приводить в рух динамо-машину – генератор електричного струму, який одночасно заряджає паралельно сполучені акумулятори. Акумуляторна батарея автоматично підключається до генератора в той момент, коли напруга на його вихідних клемах стає більше, ніж на клемах батареї, і також автоматично відключається при протилежному співвідношенні.
Широкому застосуванню агрегатів для перетворення вітру в енергію в звичайних умовах поки перешкоджає їх висока собівартість. Навряд чи потрібно говорити, що за вітер платити не потрібно, проте машини, потрібні для того, щоб запрягти його в роботу, обходяться дуже дорого.
Зберігання вітряної енергії.
При використанні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії в легковажну погоду і недолік її в періоди безвітря. Як же накопичувати і зберегти про запас енергію вітру? Простий спосіб полягає в тому, що вітряне колесо рухає насос, який накачує воду в розташований вище резервуар, а потім вода, стікаючи з нього, приводить в дію водяну турбіну і генератор постійного або змінного струму. Існують і інші способи і проекти: від звичайних, хоч і малопотужних акумуляторних батарей до розкручування гігантських маховиків або нагнітання стислого повітря в підземні печери і аж до виробництва водню як паливо. Особливо перспективним представляється останній спосіб. Електричний струм розкладає воду на кисень і водень. Водень можна зберігати в зрідженому вигляді і спалювати в топках теплових електростанцій у міру потреби.
Енергія річок.
Багато тисячоліть вірно служить людині енергія води. Запаси її на Землі колосальні. Недаремно деякі учені вважають, що нашу планету правильніше було б називати не Земля, а Вода – адже близько трьох чвертей поверхні планети покрито водою. Величезним акумулятором енергії служить Світовий океан, що поглинає велику її частину, що поступає від Сонця. Тут відбуваються приливи і відливи, виникають могутні океанські течії. Народжуються могутні річки, що несуть величезні маси води в моря і океани. Зрозуміло, що людство у пошуках енергії не могло пройти мимо таких гігантських її запасів. Раніше всього люди навчилися використовувати енергію річок.
Вода була першим джерелом енергії, і, ймовірно, першою машиною, в якій людина використовувала енергію води, була примітивна водяна турбіна. Понад 2000 років тому горці на Ближньому Сході вже користувалися водяним колесом у вигляді валу з лопатками. Суть пристрою зводилася до наступного. Потік води, відведений із струмка або річки, тисне на лопатки, передаючи їм свою кінетичну енергію. Лопатки приходять в рух, а оскільки вони жорстко скріпляють з валом, вал обертається. З ним у свою чергу скріпляє млинове жорно, яке разом з валом обертається по відношенню до нерухомого нижнього жорна. Саме так працювали перші “механізовані” млини для зерна. Але їх споруджували тільки в гірських районах, де є річки і струмки з великим перепадом і сильним натиском. На поволі поточних потоках водяні колеса з горизонтально розміщеними лопатками малоефективні.
У сучасній гідроелектростанції маса води з великою швидкістю спрямовується на лопатки турбін. Вода із-за дамби тече – через захисну сітку і регульований затвор – по сталевому трубопроводу до турбіни, над якою встановлений генератор. Механічна енергія води за допомогою турбіни передається генераторам і в них перетвориться в електричну. Після здійснення роботи вода стікає в річку через тунель, що поступово розширюється, втрачаючи при цьому свою швидкість.
Гідроелектростанції класифікуються по потужності на дрібних (зі встановленою електричною потужністю до 0,2 Мвт), малих (до 2 Мвт), середніх (до 20 Мвт) і великих (понад 20 Мвт). Другий критерій, по якому розділяються гідроелектростанції, – натиск. Розрізняють низьконапірні (натиск до 10 м), середнього натиску (до 100 м) і високонапірні (понад 100 м). У окремих випадках дамби високонапірних ГЕС досягають висоти 240 м. Такі дамби зосереджують перед турбінами водну енергію, накопичуючи воду і піднімаючи її рівень.
Турбіна – енергетично дуже вигідна машина, тому що вода легко і просто міняє поступальну ходу на обертальну. Той же принцип часто використовують і в машинах, які зовні зовсім не схожі на водяне колесо (якщо на лопатки впливає пара, то мова йде про паровій турбіні).
Переваги гідроелектростанцій очевидні – постійно поновлюваний самою природою запас енергії, простота експлуатації, відсутність забруднення навколишнього середовища. Проте споруда дамби крупної гідроелектростанції виявилася завданням куди складнішою, ніж споруда невеликої. Щоб привести в обертання могутні гідротурбіни, потрібно накопичити за дамбою величезний запас води. Для споруди дамби потрібно укласти таку кількість матеріалів, що об'єм гігантських єгипетських пірамід в порівнянні з ним покажеться нікчемним.
Але поки людям служить лише невелика частина гідроенергетичного потенціалу землі. Щорічно величезні потоки води, що утворилися від дощів і танення снігів, стікають в моря невикористаними. Якби вдалося затримати їх за допомогою дамб, людство отримало б додатково колосальну кількість енергії.
Енергія світового океану
Різке збільшення цін на паливо, труднощі з його отриманому, повідомлення про виснаження паливних ресурсів – всі ці видимі ознаки енергетичної кризи викликали останніми роками в багатьох країнах значний інтерес до нових джерел енергії, зокрема до енергії Світового океану.
Теплова енергія океану
Відомо, що запаси енергії в Світовому океані колосальні, адже дві третини земної поверхні (361 млн. км2) займають моря і океани – акваторія Тихого океану складає 180 млн. км2. Атлантичного – 93 млн. км2, Індійського, – 75 млн. км2.
Останні десятиліття характеризується певними успіхами у використанні теплової енергії океану. Так, створені установки міні-ОТЕС і ОТЕС-1 (ОТЕС – початкові букви англійських слів Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, тобто перетворення теплової енергії океану – мова йде про перетворенні в електричну енергію). У серпні 1979 р. поблизу Гавайських островів почала працювати теплоенергетична установка міні-ОТЕС. Пробна експлуатація установки протягом трьох з половиною місяців показала її достатню надійність. При безперервній цілодобовій роботі не було зривів, якщо але вважати дрібних технічних неполадок, що зазвичай виникають при випробуваннях будь-яких нових установок. Її повна потужність складала в середньому 48,7 кВт, максимальна –53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка віддавала в зовнішню мережу на корисне навантаження, точніше – на зарядку акумуляторів. Решта потужності, що виробляється, витрачалася на власні потреби установки. До їх числа входять витрати анергії на роботу трьох насосів, втрати в двох теплообмінниках, турбіні і в генераторі електричної енергії.
Три насоси було потрібно з наступного розрахунку: один – для подачі теплою види з океану, другий – для підкачки холодної води з глибини близько 700м, третій – для перекачування вторинної робочої рідини усередині самої системи, тобто з конденсатора у випарник. Як вторинна робочий рідини застосовується аміак.
Вперше в історії техніки установка міні-ОТЕС змогла віддати в зовнішнє навантаження корисну потужність, одночасно покривши і власні потреби. Досвід, отриманий при експлуатації міні-ОТЕС, дозволив швидко приступити до проектування ще могутніших систем подібного типу.
Енергія приливів і відливів.
Століттями люди роздумували над причиною морських приливів і відливів. Сьогодні ми достовірно знаємо, що могутнє природне явище – ритмічний рух морських вод викликають сили тяжіння Місяця і Сонця. У морських просторах приливи чергуються з відливами теоретично через 6 год. 12 хв. 30 с. Якщо Місяць, Сонце і Земля знаходяться на одній прямій, Сонце своїм тяжінням підсилює дію Місяця, і тоді наступає сильний прилив. Коли ж Сонце стоїть під прямим кутом до відрізка Земля-Місяць (квадратура), наступає слабкий прилив (квадратура, або мала вода). Сильний і слабкий приливи чергуються через сім днів.
Проте дійсний хід приливу і відливу вельми складний. На нього впливають особливості руху небесних тіл, характер берегової лінії, глибина води, морські течії і вітер.
Найвищі і сильніші приливні хвилі виникають в дрібних і вузьких затоках або гирлах річок, що впадають в моря і океани. Приливна хвиля Індійського океану котиться проти перебігу Гангу на відстань 250 км. від його гирла. Приливна хвиля Атлантичного океану розповсюджується на 900 км. вгору по Амазонки. У закритих морях, наприклад Чорному або Середземному, виникають малі приливні хвилі заввишки 50-70 див.
Максимально можлива потужність в одному циклі підливши – відливши, тобто від одного приливу до іншого, виражається рівнянням:
де р – щільність води, g – прискорення сили тяжіння, S – площа приливного басейну, R – різниця рівнів при приливі.
Як видно з (формули, для використання приливної енергії найбільш відповідними можна рахувати такі місця на морському побережжі, де приливи мають велику амплітуду, а контур і рельєф берега дозволяють влаштувати великі замкнуті “басейни”.
Потужність електростанцій в деяких місцях могла б скласти 2–20 Мвт.
Перша морська приливна електростанція потужністю 635 кВт була побудована в 1913 р. в бухті Ліверпуля.
Енергія морських течій
Невичерпні запаси кінетичної енергії морських течій, накопичені в океанах і морях, можна перетворювати на механічну і електричну енергію за допомогою турбін, занурених у воду (подібно до вітряних млинів, “занурених” в атмосферу).
Найважливіша і найвідоміша морська течія – Гольфстрім.
В даний час у ряді країн, і в першу чергу в Англії, ведуться інтенсивні роботи по використанню енергії морських хвиль. Британські острови мають дуже довгу берегову лінію, до в багатьох місцях море залишається бурхливим протягом тривалого часу.
Один з проектів використання морських хвиль заснований на принципі водяного стовпа, що коливається. У гігантських “коробах” без дна і з отворами вгорі під впливом хвиль рівень води то піднімається, то опускається. Стовп води діє на зразок поршня: засмоктує повітря і нагнітає його в лопатки турбін. Головну трудність тут складає узгодження інерції робочих коліс турбін з кількістю повітря в коробах, так щоб за рахунок інерції зберігалася постійною швидкість обертання турбінних валів в широкому діапазоні умов на поверхні морить.
Енергія сонця.
Для стародавніх народів Сонце було богом.
Своєю життєдайною силою Сонце завжди викликало у людей відчуття поклоніння і страху. Народи, тісно пов'язані з природою, чекали від нього милостивих дарів – урожаю і достатку, гарної погоди і свіжого дощу або ж кари – негоди, бур, граду. Тому в народному мистецтві ми усюди бачимо зображення Сонця: над фасадами будинків, на вишивках, в різьбленні і т.п.
Майже всі джерела енергії, про які ми до цих пір говорили, так або інакше використовують енергію Сонця: вугілля, нафта, природний газ суть не що інше, як “законсервована” сонячна енергія. Вона поміщена в цьому паливі з незапам'ятних часів; під дією сонячного тепла і світла на Землі росли рослини, накопичували в собі енергію, а потім в результаті тривалих процесів перетворилися на паливо, що вживалося сьогодні. Сонце щороку дасть людству мільярди тонн зерна і деревини. Енергія річок і гірських водопадів також походить від Сонця, яке підтримує кругообіг води на Землі.
У всіх приведених прикладах сонячна енергія використовується побічно, через багато проміжних перетворень. Принадно було б виключити ці перетворення і знайти спосіб безпосередньо перетворювати теплове і світлове випромінювання Сонця, падаюче на Землю, в механічну або електричну енергію. Всього за три дні Сонце посилає на Землю стільки енергії, скільки її міститься у всіх розвіданих запасах викопних палив, а за 1 з – 170 млрд. Дж. Велику частину цієї енергії розсіює або поглинає атмосфера, особливо хмари, і лише третина її досягає земній поверхні. Вся енергія, що випускається Сонцем, більше тієї її частині, яку отримує Земля, в 5000000000 разів. Але навіть така “нікчемна” величина в 1600 разів більше енергії, яку дає решта всіх джерел, разом узяті. Сонячна енергія, падаюча на поверхню одного озера, еквівалентна потужності крупної електростанції.
Сьогодні для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію ми маємо в своєму розпорядженні дві можливості: використовувати сонячну енергію як джерело тепла для вироблення електроенергії традиційними способами (наприклад, за допомогою турбогенераторів) або ж безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричний струм в сонячних елементах. Сонячну енергію використовують також після її концентрації за допомогою дзеркал – для плавлення речовин, дистиляції води, нагріву, опалювання і т.д.
Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена за великою площею (іншими словами, має низьку щільність), будь-яка установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збираючий пристрій (колектор) з достатньою поверхнею.
Простий пристрій такого роду – це колектор, чорна плита, добре ізольована знизу. Вона прикрита склом або пластмасою, яка пропускає світло, але не пропускає інфрачервоне теплове випромінювання. У просторі між плитою і склом найчастіше розміщують чорні трубки, через які течуть вода, масло, ртуть, повітря, сірчистий ангідрид і т.п. Сонячне випромінювання, проникаючи через скло або пластмасу в колектор, поглинається чорними трубками і плитою і нагріває робочу речовину в трубках. Теплове випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в нім значно вища (па 200–500°С), ніж температура навколишнього повітря. У цьому виявляється так званий парниковий ефект. Звичайні садові парники, по суті справи, є простими колекторами сонячного випромінювання. Але чим далі від тропіків, тим менш ефективний горизонтальний колектор, а повертати його услід за Сонцем дуже важко і дорого. Тому такі колектори, як правило, встановлюють під певним оптимальним кутом на південь.
Складнішим і дорожчим колектором є увігнуте дзеркало, яке зосереджує падаюче випромінювання в малому об'ємі біля певної геометричної крапки – фокусу. Відзеркалювальна поверхня дзеркала виконана з металізованої пластмаси або складена з багатьох малих плоских дзеркал, прикріплених до великої параболічної підстави. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця, це дозволяє збирати можливо більшу кількість сонячного випромінювання. Температура в робочому просторі дзеркальних колекторів досягає 3000°С і вище.
Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва енергії.
На думку фахівців, найпривабливішою ідеєю щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту в напівпровідниках.
Але, для прикладу, електростанція на сонячних батареях поблизу екватора з добовим виробленням 500 МВт·ч (приблизно стільки енергії виробляє досить велика ГЕС). Ясно, що таке величезна кількість сонячних напівпровідникових елементів може. окупитися тільки тоді, коли їх виробництво буде дійсне дешево. Ефективність сонячних електростанцій в інших зонах Землі була б мала із-за нестійких атмосферних умов, щодо слабкої інтенсивності сонячної радіації, яку тут навіть в сонячні дні сильніше поглинає атмосфера, а також коливань, обумовлених чергуванням дня і ночі.
Проте сонячні фотоелементи вже сьогодні знаходять своє специфічне застосування. Вони виявилися практично незамінними джерелами електричного струму в ракетах, супутниках і автоматичних міжпланетних станціях, а на Землі – в першу чергу для живлення телефонних мереж в не електрифікованих районах або ж для малих споживачів струму (радіоапаратура, електричні бритви і запальнички і т.п.).
Атомна енергія.
При дослідженні розпаду атомних ядер виявилось, що кожне ядро важить менше, ніж сума мас його протонів і нейтронів. Це пояснюється тим, що при об'єднанні протонів і нейтронів в ядро виділяється багато енергії. Спад маси ядер на 1г еквівалентний такій кількості теплової енергії, яке вийшло б при спалюванні 300 вагонів кам'яного вугілля. Не дивно тому, що дослідники доклали всіх сил, прагнучи знайти ключ, який дозволив би “відкрити” атомне ядро і вивільнити приховану в нім величезну енергію.
Спочатку це завдання здавалося нерозв'язним. Як інструмент учені не випадково вибрали нейтрон. Ця частинка електрично нейтральна, і на неї не діють електричні сили відштовхування. Тому нейтрон легко може проникнути в атомне ядро. Нейтронами бомбардували ядра атомів окремих елементів. Коли ж черга дійшла до урану, виявилося, що цей важкий елемент поводиться інакше, ніж інші. До речі, слід нагадати, що уран, що зустрічається в природі, містить три ізотопи: уран-238 (238U
), уран-235 (235U
) і уран-234 (234U
), причому цифра означає масове число.
Атомне ядро урану-235 виявилося значно менш стійким, чим ядра інших елементів і ізотопів. Під дією одного нейтрона наступає ділення (розщеплювання) урану, його ядро розпадається па два приблизно однакових уламка, наприклад на ядра криптону і барію. Ці осколки з величезними швидкостями розлітаються у різних напрямах.
Але головне в цьому процесі, що при розпаді одного ядра урану виникають два-три нові вільні нейтрони. Причина полягає в тому, що важке ядро урану містить більше нейтронів, чим їх потрібний для утворення двох менших атомних ядер. “Будівельного матеріалу” дуже багато, і атомне ядро повинне від нього позбавитися.
Кожен з нових нейтронів може зробити те ж, що зробив перший, коли розщепнув одне ядро. Насправді, вигідна калькуляція: замість одного нейтрона отримуємо два-три з такою ж здатністю розщепнути наступні два-три ядра урану-235. І так продовжується далі: відбувається ланцюгова реакція, і, якщо нею не управляти, вона набуває лавинного характеру і закінчується щонайпотужнішим вибухом – вибухом атомної бомби. Навчившись регулювати цей процес, люди дістали можливість практично безперервно отримувати енергію з атомних ядер урану. Управління цим процесом здійснюють в ядерних реакторах.
Ядерний реактор – пристрій, в якому протікає керована ланцюгова реакція. При цьому розпад атомних ядер служить регульованим джерелом і тепла, і нейтронів.
Перший проект ядерного реактора розробив в 1939 р. французький вчений Фредерік Жоліо-кюрі. Але незабаром Францію окуповували фашисти, і проект не був реалізований.
Ланцюгова реакція ділення урану вперше була здійснена в 1942 р. в США, в реакторі, який група дослідників на чолі з італійським ученим Енріко Фермі побудувала в приміщенні стадіону університету Чікаго. Цей реактор мав розміри 6х6х6,7 м і потужність 20 кВт; він працював без зовнішнього охолоджування.
Небаченими темпами розвивається сьогодні атомна енергетика.
В принципі енергетичний ядерний реактор влаштований досить просто – в нім, так само як і в звичайному казані, вода перетворюється на пару. Для цього використовують енергію, що виділяється при ланцюговій реакції розпаду атомів урану або іншого ядерного палива. На атомній електростанції немає величезного парового казана, що складається з тисяч кілометрів сталевих трубок, по яких при величезному тиску циркулює вода, перетворюючись на пару.
Атомні реактори на теплових нейтронах розрізняються між собою головним чином по двох ознаках: які речовини використовуються як сповільнювач нейтронів і які як теплоносій, за допомогою якого проводиться відведення тепла з активної зони реактора.
Але все-таки майбутнє ядерної енергетики, мабуть, залишиться за реакторами-розмножувачами. Звичайні реактори використовують сповільнені нейтрони, які викликають ланцюгову реакцію в досить рідкісному ізотопі – урані-235, якого в природному урані всього біля одного відсотка. Саме тому доводиться будувати величезні заводи, на яких буквально просівають атоми урану, вибираючи з них атоми лише одного сорту урану-235. Решта урану в звичайних реакторах використовуватися не може. Виникає питання: а чи вистачить цього рідкісного ізотопу урану на скільки-небудь тривалий час або ж людство знов зіткнеться з проблемою браку енергетичних ресурсів ?
Немає сумніву в тому, що атомна енергетика зайняла міцне місце в енергетичному балансі людства. Вона безумовно розвиватиметься і надалі, без відмовлено поставляючи таку необхідну людям енергію. Проте знадобляться додаткові заходи по забезпеченню надійності атомних електростанцій, їх безаварійної роботи, а учені і інженери зуміють знайти необхідні рішення.
Воднева енергетика
Багато фахівців висловлюють побоювання по приводу все зростаючій тенденції до суцільної електрифікації економіки і господарства: на теплових електростанціях спалюється все більше хімічного палива, а сотні нових атомних електростанцій, як і сонячні, вітряні і геотермальні станції, що зароджуються, у все ширшому масштабі (і врешті-решт виключно) працюватимуть для виробництва електричної енергії. Тому учені зайняті пошуком принципово нових енергетичних систем.
Передача електроенергії по проводах обходиться дуже дорого: вона складає біля третини собівартості енергії для споживача. Щоб понизити витрати, будують лінії електропередачі все більш високої напруги – воно скоро досягне 1500 кВ. Але повітряні високовольтні лінії вимагають відчуження великої земельної площі, до того ж вони уразливі для дуже сильних вітрів і інших метеорологічних чинників. А підземні кабельні лінії обходяться в 10 – 20 разів дорожче, і їх прокладають лише у виняткових випадках (наприклад, коли це викликано міркуваннями архітектури або надійності).
Серйозну проблему складає накопичення і зберігання електроенергії, оскільки електростанції найекономічніше працюють при постійній потужності і повному навантаженні. Тим часом попит на електроенергію міняється протягом доби, тижні і роки, так що потужність електростанцій доводиться до нього пристосовувати. Єдину можливість зберігати про запас великі кількості електроенергії в даний час дають гідроакумулюючі електростанції, але і вони у свою чергу пов'язані з безліччю проблем.
Всі ці проблеми, що стоять перед сучасною енергетикою, могло б – на думку багатьох фахівців – вирішити використання водню як паливо і створення так званого водневого енергетичного господарства.
Водень, найпростіший і легший зі всіх хімічних елементів, можна вважати ідеальним паливом. Він є усюди, де є вода. При спалюванні водню утворюється вода, яку можна знову розкласти на водень і кисень, причому цей процес не викликає ніякого забруднення навколишнього середовища. Водневе полум'я не виділяє в атмосферу продуктів, якими неминуче супроводжується горіння будь-яких інших видів палива: вуглекислого газу, окислу вуглецю, сірчистого газу, вуглеводнів, золи, органічних перекисів н т.п. Водень володіє дуже високою теплотворною здатністю: при спалюванні 1 г водню виходить 120 Дж теплової енергії, а при спалюванні 1 г бензину – тільки 47 Дж.
Водень можна транспортувати і розподіляти по трубопроводах, як природний газ. Трубопровідний транспорт палива – найдешевший спосіб дальньої передачі енергії. До того ж трубопроводи прокладаються під землею, що не порушує ландшафту. Газопроводи займають менше земельної площі, чим повітряні електричні лінії. Передача енергії у формі газоподібного водню по трубопроводу діаметром 750мм на відстань понад 80км. обійдеться дешевшим, ніж передача тоги ж кількості енергії у формі змінного струму по підземному кабелю. На відстанях більше 450км. трубопровідний транспорт водню дешевший, ніж використання повітряної лінії електропередачі постійного струму з напругою 40кВ, а па відстані понад 900км. – дешевше за повітряну лінію електропередачі змінного струму з напругою 500 кВ.
Водень – синтетичне паливо. Його можна отримувати з вугілля, нафти, природного газу або шляхом розкладання води. Згідно оцінкам, сьогодні в світі проводять і споживають близько 20 млн. т водню в рік. Половина цієї кількості витрачається на виробництво аміаку і добрив, а інша – на видалення сірки з газоподібного палива, в металургії, для гідрогенізації вугілля і інших палив. У сучасній економіці водень залишається швидше хімічним, ніж енергетичною сировиною.
Сучасні і перспективні методи виробництва водню
Зараз водень проводять головним чином (близько 80%) з нафти. Але це неекономічний для енергетики процес, тому що енергія, що отримується з такого водню, обходиться в 3,5 разу дорожче, ніж енергія від спалювання бензину. До того ж собівартість такого водню постійно зростає у міру підвищення цін на нафту.
Невелику кількість водню отримують шляхом електролізу. Виробництво водню методом електролізу води обходиться дорожчим, ніж вироблення його з нафти, але воно розширюватиметься і з розвитком атомної енергетики стане дешевше. Поблизу атомних електростанцій можна розмістити станції електролізу води, де вся енергія, вироблена електростанцією, піде на розкладання води з утворенням водню. Правда, ціна електролітичного водню залишиться вищою за ціну електричного струму, зате витрати на транспортування і розподіл водню настільки малі, що остаточна ціна для споживача буде цілком прийнятна в порівнянні з ціною електроенергії.
Сьогодні дослідники інтенсивно працюють над здешевленням технологічних процесів великотоннажного виробництва водню за рахунок ефективнішого розкладання води, використовуючи високотемпературний електроліз водяної пари, застосовуючи каталізатори і т.п.
Використання водню
Коли водень стане таким же доступним паливом, як сьогодні природний газ, він зможе усюди його замінити. Водень можна буде спалювати в кухонних плитах, у водонагрівачах і опалювальних печах, забезпечених пальниками, які майже або зовсім не відрізнятимуться від сучасних пальників, вживаних для спалювання природного газу.
Як ми вже говорили, при спалюванні водню не залишається ніяких шкідливих продуктів згорання. Тому відпадає потреба в системах відведення цих продуктів для опалювальних пристроїв, що працюють на водні, Більш того, водяну пару, що утворюється при горінні, можна вважати корисним продуктом — він зволожує повітря (як відомо, в сучасних квартирах з центральним опалюванням повітря дуже сухе). А відсутність димарів не тільки сприяє економії будівельних витрат, але і підвищує до. п. д. опалювання на 30%.
Водень може служити і хімічною сировиною в багатьох галузях промисловості, наприклад при виробництві добрив і продуктів харчування, в металургії і нафтохімії. Його можна використовувати і для вироблення електроенергії на місцевих теплових електростанціях.
Висновок.
Незаперечна роль енергії в підтримці і подальшому розвитку цивілізації. У сучасному суспільстві важко знайти хоч би одну область людської діяльності, яка не вимагала б, – прямо або побічно – більше енергії, чим її можуть дати м'язи людини.
За час існування наший цивілізації багато раз відбувалася зміна традиційних джерел енергії на нових, досконаліших. І не тому, що старе джерело було вичерпане.
Сонце світило і обігрівало людину завжди: і проте одного разу люди приручили вогонь, почали палити деревину. Потім деревина поступилася місцем кам'яному вугіллю. Запаси деревини здавалися безмежними, але парові машини вимагали калорійнішого "корму".
Але і це був лише етап. Вугілля незабаром поступається своїм лідерством на енергетичному ринку нафти.
І ось новий виток в наші дні провідними видами палива поки залишаються нафта і газ. Але за кожним новим кубометром газу або тонної нафти потрібно йти все далі на північ або схід, зариватися все глибше в землю. Зрозуміло, що нафта і газ з кожним роком коштуватимуть нам все дорожче.
Заміна? Потрібний новий лідер енергетики. Ним, поза сумнівом, стануть ядерні джерела.
Запаси урану, якщо, скажімо, порівнювати їх із запасами вугілля, начебто не так вже і великі. Та зате на одиницю ваги він містить в собі енергії в мільйони разів більше, ніж вугілля.
А підсумок такий: при отриманні електроенергії на АЕС потрібно витратити, вважається, в сто тисяч разів менше засобів і праці, чим при витяганні енергії з вугілля. І ядерне пальне приходить на зміну нафти і вугіллю... Завжди було так: наступне джерело енергії було і могутнішим. То була, якщо можна так виразитися, "войовнича" лінія енергетики.
У гонитві за надлишком енергії чоловік все глибше занурювався в стихійний світ природних явищ і до якоїсь пори не дуже замислювався про наслідки своїх справ і вчинків.
Але часи змінилися. Поза сумнівом, в майбутньому паралельно з лінією інтенсивного розвитку енергетики отримають широкі права громадянства і лінія екстенсивна: розосереджені джерела енергії не дуже великої потужності, та зате з високим ККД, екологічно чисті, зручні в обігу.
Розповідь про енергію може бути нескінченна, необчислені альтернативні форми її використання за умови, що ми повинні розробити для цього ефективні і економічні методи. Не так важливо, яке ваша думка про потреби енергетики, про джерела енергії, її якість, і собівартість. Нам, мабуть. слід лише погодитися з тим, що сказав вчений мудрець, ім'я якого залишилося невідомим: "Немає простих рішень, є тільки розумний вибір".
|
