Альтернативные источники энергии. 12

Содержание

Введение                                                                                                         3

1. Солнечная энергия.                  5

2. Ветровая энергия.                  6

3. Энергия рек.                        7

4. Энергия земли.                   8

5. Атомная Энергия.                  9

Заключение                                                                                                    11

Список литературы                                                                                       13

Введение

Почему же именно сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что  ждет человечество - энергетический голод или энергетическое изобилие?  Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства,  сменяются правительства.  К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых установок или о новых изобретениях в области энергетики.  Разрабатываются гигантские энергетические программы,  осуществление которых потребует громадных  усилий  и  огромных  материальных затрат.

Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия энергетическая - играла,  в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль,  то уже в 1930  году  в мире  было  произведено  около  300  миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Гигантские цифры,  небывалые темпы роста!  И все равно энергии будет мало потребности в ней растут еще быстрее.

Уровень материальной, а  в конечном счете и духовной культуры  людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию.  А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше.

Так за чем же остановка?  Ученые и изобретатели уже давно разработали  многочисленные  способы  производства энергии,  в первую очередь электрической. Давайте тогда строить все больше и больше электростанций,  и энергии будет столько, сколько по надобится! Такое, казалось бы, очевидное решение сложной задачи, оказывается, таит в себе немало подводных камней Неумолимые законы природы утверждают,  что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее преобразований из других форм. Вечные двигатели, якобы производящие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложилась  таким  образом,  что четыре из каждых пяти произведенных

киловатт получаются в  принципе тем же способом,  которым пользовался  первобытный человек для согревания, то есть при сжигании топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии,  преобразовании ее в электрическую на тепловых электростанциях.

Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее  и совершеннее.

Новые факторы - возросшие  цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды- потребовали нового подхода к энергетике. В разработке  Энергетической  программы  приняли  участие виднейшие  ученые  нашей страны,  специалисты различных министерств и ведомств.  С помощью новейших математических  моделей электронно-вычислительные  машины  рассчитали  несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического  баланса  страны. Были  найдены  принципиальные решения,  определившие стратегию

развития энергетики страны на грядущие десятилетия.

Хотя в  основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах, структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастет  производство  электроэнергии  на  атомных электростанциях.  Начнется  использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в стране  намного  превосходят запасы в других странах.

Энергетическая программа  страны – основа  нашей  техники  и экономики в канун 21 века. Но ученые заглядывают и вперед,  за пределы сроков, установленных Энергетической программой. На пороге 21 века, и они трезво отдают себе отсчет в реальностях третьего  тысячелетия. К сожалению,  запасы нефти,  газа,  угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы  создать  эти  запасы,  потребовались   миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем,  как не  допустить  хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века.  К сожалению, многие нефтедобывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходуют подаренные им природой нефтяные запасы.  Сейчас  многие  из этих  стран,  особенно в районе Персидского залива,  буквально купаются в золоте, не задумываясь, что через несколько десятков

лет  эти запасы иссякнут.  Что же произойдет тогда- а это  рано или поздно случится, когда месторождения нефти  и  газа  будут исчерпаны?  Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике,  но и транспорту,  и химии, заставило задуматься  о  других видах топлива,  пригодных для замены нефти и газа.  Особенно призадумались тогда те страны,  где нет  собственных запасов нефти и газа и которым приходится их покупать.

А пока в мире все больше ученых инженеров занимаются  поисками  новых,  нетрадиционных  источников,  которые  могли бы взять на себя хотя бы часть забот  по  снабжению  человечества энергией. Решение этой задачи исследователи ищут на разных путях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемых  источников энергии-энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов,  тепла земных недр, солнца. Много  внимания уделяется развитию атомной энергетики,  ученые ищут способы воспроизведения на Земле процессов, протекающих в звездах и снабжающих их колоссальными запасами энергии.

Солнечная энергия.

Солнечная энергия – это  кинетическая энергия излучения (в  основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку её запасы

практически неистощимы (астрономы  подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В

естественных экосистемах  лишь небольшая часть солнечной  энергии поглощается

хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким  образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. 

Посчитано, что примерно такого же процента солнечной энергии  вполне достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, вне зависимости от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится. Однако солнечная энергия падает на всю поверхность Земли, нигде не достигая особой интенсивности. Потому ее нужно уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и превратить в такую форму, которую можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных нужд. Кроме того надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью, и пасмурные дни. Перечисленные трудности и затраты, необходимые для преодоления, привели к мнению о непрактичности этого энергоресурса по крайней мере сегодня. Однако во многих случаях проблема преувеличивается.

 Главное – использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. По мере совершенствования технологий и дорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет находить все новые области применения. Световое излучение можно улавливать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это называется прямым использованием солнечной энергии. Кроме того, она обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха и накопление органического вещества в биосфере. Значит, обращаясь к этим энергоресурсам, мы по сути дела занимаемся непрямым использованием солнечной энергии.

Перспективы солнечной энергетики.

Использование солнечной  энергии может быть полезно в  нескольких отношениях. Во-первых, при замене ею ископаемого топлива уменьшается загрязнение воздуха и воды. Во-вторых, замена ископаемого топлива означает сокращение импорта топлива, особенно нефти. В-третьих, заменяя атомное топливо, мы снижаем угрозу распространения атомного оружия. Наконец, солнечные источники могут обеспечить нам некоторую защиту, уменьшая нашу зависимость от бесперебойного снабжения топливом.

Ветровая энергия.

Огромна энергия  движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы  гидроэнергии  всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности  в  электроэнергии! Климатические  условия позволяют  развивать ветроэнергетику на огромной территории от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные  районы  страны  вдоль побережья Северного Ледовитого океана,  где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края.

Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии  так  слабо  используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Техника 20  века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики,  задача которой стала другой получение электроэнергии.  В начале века Н.Е.Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные  установки,  способные  получать энергию от самого слабого ветерка. 

Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания. В наши  дни к созданию конструкций ветроколеса-сердца любой ветроэнергетической установки привлекаются специалисты самолетостроители,  умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции

современных ветровых установок.

Конструкция ветродвигателей.

Ветродвигатель вырабатывает энергию, когда ветер давит на его лопасти. Чем длиннее лопасть, тем больше ветровой энергии она может перехватить. Точно также, чем больше скорость ветра, тем больше его давление на лопасти и тем больше количество перехватываемой энергии. Выход энергии не находится в линейной зависимости от длины лопасти и от скорости ветра: он растет пропорционально квадрату длины лопасти и кубу скорости ветра. Обратим внимание на то, что при скорости ветра 33 километра в час удлинение лопасти в 4 раза (с15 до 60 м) увеличивает выработку энергии в 16 раз.

Заметим также, что при  длине лопасти 30 м ветер со скоростью 50 километров в час обеспечивает выработку электроэнергии, в 26 раз большую, чем ветер со скоростью 17 километров в час. Именно поэтому инженеры склоняются в пользу крупных ветродвигателей и стремятся перехватить ветер на большой высоте. Большинство крупных ветродвигателей, сооружаемых сейчас или уже действующих, рассчитано на работу при скоростях ветра 17 – 58 километров в час.

  Ветер со скоростью меньше 17 километров в час дает мало полезной энергии, а при скоростях более 58 километров в час возможно повреждение двигателя.

Энергия рек.

Многие тысячелетия верно  служит  человеку  энергия, заключенная в текущей воде. Запасы ее на Земле колоссальны. Недаром некоторые ученые считают,  что нашу планету правильнее было бы называть не Земля, а Вода ведь около трех четвертей поверхности планеты покрыты водой.  Огромным аккумулятором энергии служит Мировой океан,  поглощающий большую ее часть,  поступающую от Солнца.  Здесь плещут волны,  происходят  приливы и отливы, возникают могучие океанские течения.  Рождаются могучие реки,  несущие огромные массы воды в моря и океаны. Понятно, что человечество  в поисках энергии не могло пройти мимо столь гигантских ее запасов.  Раньше всего люди научились использовать энергию рек. Но когда наступил золотой  век  электричества,  произошло возрождение  водяного колеса,  правда,  уже в другом обличье в виде водяной турбины.  Электрические генераторы,  производящие

энергию,  необходимо было вращать,  а это вполне успешно  могла делать вода, тем более что многовековой опыт у нее уже имелся.

Можно считать, что современная  гидроэнергетика родилась в 1891 году. Преимущества гидроэлектростанций  очевидны постоянно  возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации,  отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую  помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины,  нужно  накопить  за плотиной огромный запас воды.  Для постройки плотины требуется уложить такое кол-во материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным.  Поэтому в начале 20 века было построено всего  несколько  гидроэлектростанций.  Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке

Подкумок успешно действовала  довольно крупная электростанция с

многозначительным названием "Белый уголь". Это было лишь началом.

Уже в  историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем началось строительство знаменитой Днепровской. Дальновидная энергетическая политика, проводящаяся в нашей стране,  привела к тому, что у нас, как ни в одной стране мира,  развита  система  мощных  гидроэлектрических

станций.  Ни  одно  государство  не  может похвастаться такими энергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братская,  Саяно-Шушенская ГЭС. Эти станции, дающие буквально океаны энергии,  стали центрами, вокруг которых развились мощные промышленные комплексы.

Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными.  Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное кол-во энергии.

Энергия земли.

Издавна люди знают  о  стихийных  проявлениях  гигантской энергии,  таящейся в недрах земного шара.  Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле.  Мощность извержения  даже  сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека.  Правда,  о  непосредственном  использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится нет пока у людей  возможностей  обуздать  эту  непокорную стихию,  да и,  к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии,  таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через  огнедышащие жерла вулканов. Маленькая европейская  страна  Исландия-"страна  льда"  в дословном переводе полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами!

Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли-других местных источников  энергии  в Исландии практически нет.  Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла  подземных источников (еще древние римляне к знаменитым баням-термам Каракаллы подвели воду из-под земли),  жители этой маленькой  северной  страны  эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно.

Столица - Рейкьявик,  в  которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники.  Первая такая электростанция,  совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера  Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно  мощность  электростанции росла,  в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в  наши дни мощность станции достигла уже внушительной величи-

ны-360 тысяч  киловатт.

В  Новой  Зеландии  существует  такая электростанция в районе Вайракеи,  ее мощность 160 тысяч киловатт.  В 120 километрах  от  Сан-Франциско  в  США  производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч кило-

ватт.

Атомная Энергия.

Открытие излучения  урана  впоследствии  стало  ключом  к

энергетическим кладовым природы. Главным, сразу  же заинтересовавшим  исследователей,  был вопрос:  откуда берется энергия лучей,  испускаемых ураном,  и почему уран всегда чуточку теплее окружающей среды? Под сомнение ставился либо закон сохранения энергии,  либо утвержденный веками принцип неизменности атомов?  Огромная научная смелость требовалась от ученых, которые перешагнули границы привычного, отказались от устоявшихся представлений. Такими смельчаками оказались молодые ученые Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди. Два года упорного труда по изучению радиоактивности привели их к революционному по тем временам  выводу: атомы некоторых элементов подвержены распаду, сопровождающемуся излучением энергии в количествах,  огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях.

Невиданными темпами развивается сегодня атомная энергетика. За тридцать лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт! Некоторые ученые высказывают мнение,  что к 21 веку около половины всей электроэнергии в мире будет вырабатываться на атомных электростанциях. В принципе энергетический ядерный реактор устроен довольно просто в нем,  так же как и в обычном котле, вода превращается в пар.  Для этого используют  энергию,  выделяющуюся  при цепной  реакции распада атомов урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет громадного парового котла, состоящего из тысяч километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил относительно небольшой ядерный реактор.

Самый распространенный в  настоящее время тип реактора во-

дографитовый. Еще одна распространенная конструкция реакторов так называемые  водо-водяные.  В  них вода не только отбирает тепло от твэлов,  но и служит замедлителем  нейтронов  вместо  графита. Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона киловатт. Могучие энергетические агрегаты установлены на Запорожской,  Балаковской и других атомных электростанциях. Вскоре реакторы такой конструкции,  видимо,  догонят по мощности и  рекордсмена-полуторамиллионик с Игналинской АЭС. Но все-таки будущее ядерной энергетики,  по-видимому, останется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструкция которых предложены учеными,  - реакторами на быстрых нейтронах.  Их называют еще реакторами размножителями. Обычные реакторы используют замедленные нейтроны,  которые вызывают цепную  реакцию в довольно редком изотопе- уране-235,  которого в природном уране всего около одного  процента.  Именно  поэтому приходится строить огромные заводы,  на которых буквально просеивают атомы урана,  выбирая из них атомы  лишь одного  сорта урана-235.  Остальной  уран в обычных реакторах использоваться не может.  Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана  на  сколько-нибудь продолжительное время или же человечество вновь столкнется с  проблемой  нехватки  энергетических

ресурсов?

Более тридцати лет назад  эта проблема была поставлена перед  коллективом лаборатории Физико-энергетического института. Она была решена. Руководителем лаборатории Александром Ильичом Лейпунским  была  предложена  конструкция  реактора на быстрых нейтронах. В 1955 году была построена первая такая установка. Преимущества реакторов  на быстрых нейтронах очевидны.  В них для получения энергии можно использовать все  запасы  природных урана и тория,  а они огромны только в Мировом океане

растворено более четырех  миллиардов тонн урана. Но все  400 атомных электростанции,  работающих сейчас на планете, не могут создать угрозу, хотя бы сравнимую с угрозой, исходящей от 50 тысяч боеголовок. Нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе  человечества.  Она  безусловно будет развиваться и впредь, без отказано поставляя столь необходимую людям энергию.  Однако понадобятся дополнительные меры по  обеспечению надежности атомных электростанций,  их безаварийной работы,  а ученые и инженеры сумеют  найти  необходимые решения. 

Заключение

За время существования  нашей цивилизации много раз  происходила смена традиционных источников энергии на новые, более  совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее  однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину.

Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины  казались безграничными, но паровые  машины требовали более калорийного "корма".

Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство  на энергетическом рынке нефти.

И вот новый виток: в  наши дни ведущими видами топлива  пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или  тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что  нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.

Замена? Нужен новый лидер  энергетики. Им, несомненно, станут ядерные  источники.

Запасы урана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде  бы не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.

А итог таков: при получении  электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз  меньше средств и труда, чем при  извлечении энергии из угля. И ядерное  горючее приходит на смену нефти  и углю... Всегда было так: следующий  источник энергии был и более  мощным. То была, если можно так выразиться, "воинствующая" линия энергетики.

В погоне за избытком энергии  человек все глубже погружался в  стихийный мир природных явлений  и до какой-то поры не очень задумывался  о последствиях своих дел и  поступков.

Но времена изменились. Сейчас, в конце 20 века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика "щадящая". Построенная так, чтобы человек  не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

Несомненно, в будущем  параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие  права гражданства и линия  экстенсивная: рассредоточенные источники  энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

Яркий пример тому - быстрый  старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная.

Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает  в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это  и понятно: энергетика связана буквально  со всем, и все тянется к энергетике, зависит от нее.

Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, кварках, "черных дырах", вакууме, - это всего лишь наиболее яркие  вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших  глазах и который можно назвать  Завтрашним Днем Энергетики.

Лабиринты энергетики. Таинственные переходы, узкие, извилистые тропки. Полные загадок, препятствий, неожиданных  озарений, воплей печали и поражений, кликов радости и побед.

Тернист, непрост, непрям энергетический путь человечества. Но мы верим, что  мы на пути к Эре Энергетического  Изобилия и что все препоны, преграды и трудности будут преодолены.

Рассказ об энергии может  быть бесконечен, неисчислимы альтернативные формы ее использования при условии, что мы должны разработать для  этого эффективные и экономичные  методы. Не так важно, каково ваше мнение о нуждах энергетики, об источниках энергии, ее качестве, и себестоимости. Нам, по-видимому, следует лишь согласиться  с тем, что сказал ученый мудрец, имя которого осталось неизвестным: "Нет простых решений, есть только разумный выбор".

Список литературы

1 П. Ревелль, Ч. Ревелль «Энергетические проблемы человечества», издательство «Мир», 2005.

2 В.Володин, П.Хазановский "Энергия, век двадцать первый".

3 П. Ревелль, Ч. Ревелль «Загрязнение воды и воздуха», издательство «Мир», 2003.

4 А.Голдин "Океаны энергии".

5 Л.С. Юдасин "Энергетика: проблемы и надежды".