Енергія

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

Дипломна робота
Зміст
Введення ................................................. .................................................. ...... 3
Розділ 1. Світ шукає енергію ............................................... ................... 4
Передмова ................................................. .................................................. ..................... 5
Енергія - з чого все почалося ............................................ ............................................... 8
Скільки людям потрібно енергії .............................................. .......................................... 12
Розділ 2. Альтернативні джерела енергії ................................ 15
Вітрова енергія ................................................ .................................................. ............. 16
Зберігання вітрової енергії 19
Енергія річок ................................................ .................................................. ....................... 20
Геотермальна енергія ................................................ .................................................. . 23
Гідротермальні системи ................................................ ........................................... 24
Гарячі системи вулканічного походження .............................................. .. 25
Системи з високим тепловим потоком ............................................. ........................ 26
Енергія світового океану ............................................... ................................................ 27
Теплова енергія океану ............................................... ................................................ 27
Енергія припливів 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 більш широкому сенсі - природничонаукового) змісту, вона має численні економічні, технічні, політичні та інші аспекти.
Людству потрібна енергія, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком. Разом з тим запаси традиційних природних палив (нафти, вугілля, газу та ін) кінцеві. Кінцеві також і запаси ядерного палива - урану і торію, 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 відновлюваних 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 та використання нових ресурсів енергії (альтернативні джерела енергії). Мета роботи - перш за все ознайомитися з сучасним станом справ у цій надзвичайно широкої проблематики, аналіз нових шляхів отримання практично корисних форм енергії.
До нових форм первинної енергії в нашій дипломній роботі в першу чергу відносяться: сонячна і геотермальна енергія, 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

Передмова
Ніякої вид енергії не обходиться так дорого, як її недолік.
Гомі Баба, 1964.
Це вислів відомого індійського ученого ніколи не звучало таким актуальним, як у наші дні, коли людство, не рахуючись з величезними фінансовими витратами, 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 нашій планеті. Прямо або побічно з ними стикається кожен житель Землі. Розуміння принципів виробництва і споживання енергії складає необхідну передумову для успішного вирішення набувають все більшої гостроти проблем сучасності і в ще більшому ступені - найближчого майбутнього.
Світ, в якому ми живемо, можна вивчати з самих різних точок зору. Нові знання ведуть до постійного їх звуження, до все більшої диференціації наукових дисциплін і відповідних ним областей людської діяльності. Результати об'єктивної оцінки "стану справ" в цих областях вельми різні. Якщо говорити про існуючу і понині загрозу війн, про мільйони недоїдають і голодних, про все зростаючий забрудненні життєвого середовища, то доводиться констатувати наявність серйозних проблем, вирішення яких не терпить зволікання. Проблеми ці турбують весь прогресивний світ і не дозволяють людству задовольнитися досягнутим. Якщо ж оцінювати розвиток павуки і техніки саме по собі, в самому широкому сенсі слова, то тут успіхи вельми великі і заслуговують найвищої поваги.
Чому ж саме зараз, як ніколи гостро, постало питання: що чекає людство - енергетичний голод або енергетичний достаток? Не сходять зі 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.
Якщо в кінці минулого століття найпоширеніша зараз енергія - енергетична - грала, загалом, допоміжну і незначну у світовому балансі роль, то вже в 1930 році в світі було вироблено близько 300 мільярдів кіловат-годин електроенергії. Цілком реальний прогноз, за ​​яким у 2000 році буде вироблено 30 тисяч мільярдів кіловат-годин! Гігантські цифри, небувалі темпи зростання! І все одно енергії буде мало, а потреби в ній ростуть ще швидше.
Рівень матеріальної, а в кінцевому рахунку 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 що ж 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 у собі чимало 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 країни. Були знайдені принципові рішення, що визначили стратегію розвитку енергетики країни на прийдешні десятиліття.
Хоча в основі енергетики найближчого майбутнього як і раніше залишиться теплоенергетика на не поновлюваних ресурсах, структура її зміниться. Має скоротитися використання нафти. Істотно зросте виробництво електроенергії на атомних електростанціях. Розпочнеться використання поки ще не займаних гігантських запасів дешевих вугілля, наприклад, в Кузнецькому, Кансько-Ачинском, Екібаcтузском басейнах. Широко буде застосовуватися природний газ, запаси якого в країні набагато перевершують запаси в інших країнах.
Енергетична програма країни - основа нашої техніки та економіки в переддень 21 століття.
Але вчені заглядають і вперед, за межі термінів, встановлених Енергетичної програмою. На порозі 21 століття, і вони тверезо віддають собі відлік в реальностях третього тисячоліття. На жаль, запаси нафти, газу, вугілля зовсім не нескінченні. Природі, щоб створити ці запаси, потрібні були мільйони, витрачені вони будуть за сотні років. Сьогодні у світі стали 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 подаровані їм природою нафтові запаси. Зараз багато хто з цих країн, особливо в районі Перської затоки, буквально купаються в золоті, не замислюючись, що через кілька десятків років ці запаси вичерпаються. Що ж відбудеться тоді -, а це рано чи пізно станеться, - коли родовища нафти і газу будуть вичерпані? Підвищення цін на нафту, необхідну не тільки енергетиці, але і транспорту, і хімії, змусило задуматися про інші види палива, придатні для заміни нафти 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 взяти на себе хоча б частину 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 сенсі слова доводилося чекати милостей від природи. Він був практично беззахисний перед холодом, йому невпинно загрожували дикі звіри, його життя постійно висіло на волосині. 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, 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 тому. Життєдайний, таємничий, вселяє впевненість і почуття гордості ВОГОНЬ.
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! Уявімо собі людину, оточену незайманою природою, - без споруд, які б його захищали, без знання хоча б елементарних фізичних законів, із запасом слів, що не перевищує кількох десятків. (До речі, чи багато з нас, навіть володіють солідною науковою підготовкою, змогли б запалити вогонь, не вдаючись до будь-яких технічних засобів-хоча б сірникам?) До цього відкриття людина йшла дуже довго і розповсюджувалося Воно повільно, але ознаменувало собою один з найважливіших переломних етапів в історії цивілізації.
Йшов час. Люди навчилися отримувати тепло, але ста ре своєму розпорядженні ніякої силою, крім власних м'язів, яка допомагала б їм підкорити собі природу. І все ж таки поступово, мало-помалу вони стали використовувати силу приручених тварин, вітру і води. За даними істориків, перші тяглові тварини була запряжені у плуг близько 5000 років тому. Згадка про перший використанні водної енергії - запуск першої млини з колесом, що приводиться в рух водяним потоком, - відноситься до початку нашого літочислення. Проте потрібна ще тисяча років, перш ніж це винахід набуло поширення. А найдавніші з відомих сьогодні вітряних млинів в Європа були побудовані в XI ст.
Протягом століть ступінь використання нових джерел енергії - домашніх тварин, вітру і води - залишалася дуже низькою. Головним же джерелом енергії, за допомогою якої людина будувала житло, обробляв поля, "подорожував", захищався і нападав, 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 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, трохи більше трьох сторіч тому.
Одним з перших гігантів на шляху наукового прогресу людства, поза сумнівом, був Ісаак Ньютон. Цей видатний англійський природодослідник все своє довге життя і неабиякий талант присвятив павуку: фізиці, астрономії та математики. 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 ньютонівської. Праці Ісаака Ньютона багато в чому допомогли помножити силу людських м'язів і творчі можливості людського мозку.
Слідом за кембриджських дослідженнями Ньютона в Лондоні в 1633 р. виходить книга "Сто прикладів винаходів". Її автором був мало кому відомий сьогодні лорд Едвард Сомерсет (маркіз Вустер). Один з прикладів, наведених у цій книзі під номером 68, настільки нагадує водяний насос з паровим приводом, що багато фахівців приписують Сомерсету честь винаходу парової машини.
Промислова революція - так ми часто називаємо цю епоху великих відкриттів - істотно змінила перебіг життя на нашій планеті. Одним з її наслідків було остаточне падіння феодалізму, який вже не міг пристосуватися до розвитку нових продуктивних сил, і зміцнення капіталістичних виробничих відносин. Джеймс Уатт винайшов парову машину, яка розкрутила колесо історії до небувалих колись обертів.
Парову машину низького тиску Уатта вдосконалювали багато майстрів та інженери. Серед них слід виділити американця Олівера Еванса. Подолавши багато перешкод, цей талановитий механік, повний ентузіазму і сміливих ідей, в 1801 р, приступив до спорудження малої парової машини, в якій тиск пари в десять разів перевищувало атмосферний. Вже перші дві машини вийшли надзвичайно вдалими, і в 1802 р. Еванс відкрив у Філадельфії перший завод парових машин високого тиску. Він поставив замовникам до 50 машин потужністю від 7,4 до 29,4 кВт (10-40 л. С.).
У 1807 р. американський винахідник Роберт Фултон сконструював перший пароплав "Клермонт", який здійснював регулярні рейси по річці Гудзон між Нью-Йорком і Олбані. Успіх "Клермонт" виявився настільки переконливим, що в 1819 р. в США був спущений на воду морської пароплав.
Англійська технік Джордж Стефенсон в 1823 р. заснував завод з виготовлення рухомого складу для громадського транспорту, і в 1825 р. - через шість років після смерті Уатта - на трасі Стоктон - Дарлінгтон почала діяти перша залізниця.
У наші дні парову машину скоро можна буде побачити тільки в технічних музеях, але і там ми будемо дивитися на неї з повагою.
Італійський фізик Алессандро Вольта народився в 1745 р. Він продовжив експерименти свого земляка Луїджі Гальвані і прославився винаходом електричної батареї (1800). На його честь ми називаємо основну одиницю електричної напруги вольт. (В). Вольтову батарею-так званий елемент-складали два різних провідника електричного струму (електроди), занурені в рідину (електроліт), через яку протікав електричний струм. В якості електродів Вольта використовував мідь і цинк, а електролітом служила солона вода. Довгим і важким був шлях від цього першого джерела постійного струму до сучасної електрифікації більшій частині нашої планети. Зупинимося на деяких знаменні події з історії електрики.
Першим переконливим доказом корисності вольтова елемент було винахід електричного телеграфу, яке найчастіше приписують німецькому лікарю і натуралістові Самуелю Земмерінг (1809). Через два роки англійському фізику і хіміку Гемфрі Деві вдалося отримати між двома вугільними електродами електричну дугу-світиться струмінь електрично заряджених частинок дуже високої температури. Деві був автором і ряду інших відкриттів в зародження галузі науки-електрохімії, що вивчає зв'язок між електричними й хімічними процесами і явищами.
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 кілька мільйонів років тому, коли люди навчилися використовувати вогонь. Вогонь давав їм тепло і світло, був джерелом натхнення та оптимізму, зброєю проти ворогів і диких звірів, лікувальним засобом, помічником в землеробстві, консервантом продуктів, технологічним засобом і т.д.
Протягом 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, нафту, сланці, торф.
Прекрасний міф про Прометея, дарував людям вогонь, з'явився в стародавній Греції значно пізніше того, як у багатьох частинах світу були освоєні методи досить витонченого поводження з вогнем, його отриманням і гасінням, збереженням вогню і раціональним використанням палива.
Зараз відомо, що деревина - це акумульована за допомогою фотосинтезу сонячна енергія. При згорянні кожного кілограма сухої деревини виділяється близько 20 000 кДж тепла (ця величина в теплотехніці іменується теплотою згоряння). Нагадаємо також, що теплота згоряння бурого кута дорівнює приблизно 13000 кДж / кг, антрациту 25000 кДж / кг, нафти і нафтопродуктів 42000 кДж / кг, а природного газу 45000 кДж / кг. Найвищою теплотою згоряння має водень -120000 кДж / кг.
Настав час пояснити, що ж таке енергія, тобто величина, яка вимірюється кілоджоулях. Відома і інша фізична величина - робота, що має ту ж розмірність, що й енергія, Навіщо потрібні два різних поняття?
Виявляється, питання має принципове значення. Енергія - слово грецьке, що означає в перекладі діяльність .. Терміном "енергія" позначають єдину скалярну міру різних форм руху матерії. Енергію можна отримати при згоранні 1 кг вугілля або 1 кг нафти, які називаються енергоносіями. Закони фізики затверджують: та робота, яку можна отримати в реальних машинах і використовувати на наші потреби, буде завжди менше енергії, укладеної в енергоносії. Енергія - це, по суті справи, енергетичний потенціал (або просто потенціал), а робота - це та частина потенціалу, яка дає корисний ефект. Різницю між енергією і роботою називають діссіпірованной (або розсіялася) енергією. До цих пір за традицією ще застосовують поняття потенційної і кінетичної енергії, хоча насправді із-за величезного розмаїття 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 в 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 та інших енергоресурсів, тим більше воно зрештою нагріває навколишнє середовище.
Прогноз зростання потреби в енергії найчастіше пов'язують із зростанням чисельності населення Землі. При цьому припускають, що на кожного жителя рівень отриманої енергії буде також збільшуватися. 15 липня 1987 чисельність населення Землі перейшла 5-мільярдний рубіж (прогнози 1975 стверджували, що це відбудеться тільки після 1990 року!). Очікується, що до 2000 року населення складе не менше 6 млрд. чоловік, а на кожного жителя припадатиме на рік у середньому близько 29 МВт · год одержуваної енергії, у той час як загальна річна потреба в ній складе 20-200 млрд. МВт · ч.
Таким чином, можна сказати, що на одну людину в 2000 році буде припадати 29МВт · год всіх видів виробленої енергії. Кожен житель Землі в тому ж 2000 році буде споживати потужність 3 кВт. Треба зауважити, що в розвинених країнах це значення вже досягнуто, а в США, СРСР і ряді інших країн на одну людину припадає до 10 кВт енергії всіх видів. Країни, що розвиваються споживають значно менше, так що середнє світове значення в даний час не перевищує 2 кВт на людину.
Передбачається, що до 2000 року загальна споживана електрична потужність повинна подвоїтися по відношенню до нинішнього рівня і скласти (1,8-2,0) 10 10 кВт (або 20 млрд. кВт). Були зроблені і більш глобальні оцінки енергоспоживання землян в наступному тисячолітті. Більшість експертів припускають, що чисельність населення Землі і споживання енергії мають стабілізуватися на якомусь одному рівні і що станеться це в середині або наприкінці XXI століття. Діапазон оцінок такого "стабільного" споживання електричної потужності досить широкий: від 3-10 10 до 10 11 кВт, що всього в 3-10 разів більше нинішнього рівня. Відповідні залежності наведені на рис. 1, звідки видно, що стабілізація на рівні 3.10 11 кВт ще може бути зрозуміла, в той час як інша оцінка (10 11 кВт) досить сумнівна навіть для орієнтовного прогнозу.
Очевидно, при цьому враховувалися результати існуючих прогнозів по виснаження до середини - кінця наступного століття запасів нафти, природного газу та інших традиційних енергоресурсів, а також скорочення споживання вугілля (якого, за розрахунками, має вистачити на 300 років) з-за шкідливих викидів в атмосферу , а також вживання ядерного палива, якого за умови інтенсивного розвитку реакторів-розмножувачів вистачить не менше ніж на 1000 років (із-за труднощів з видаленням радіоактивних відходів та похованням відпрацьованих агрегатів АЕС).
У таблиці 1 наведена наближена оцінка процентної частки окремих джерел енергії в різні періоди розвитку людства.
Частка окремих джерел енергії (%)
Таблиця 1.
Період
М'язова енергія людини
Органічні речовини
Деревина
Вугілля
Нафта
Природний газ
Водна енергія
Атомна енергія
500 000 років до н. е..
100
-
-
-
-
-
-
-
2000 р. до н. е..
70
25
5
-
-
-
-
-
Близько 1500 р. н. е..
10
20
70
-
-
-
-
-
1910
-
16
16
65
3
-
-
-
1935
-
13
7
55
15
3
5
-
1972
-
-
10
32
34
18
5
1
1990
-
-
1
20
33
26
4
16
Отже, ресурси практично невичерпні! А потреби? Мабуть, вони повинні відповідати не тільки земним потребам, але і потребам космічного будівництва, космічних повідомлень по трасі Земля - ​​орбіта, міжорбітальних повідомлень, освоєння Місяця, планет і астероїдів. Надалі, мабуть, будуть потрібні величезні енергетичні витрати на виявлення і встановлення зв'язку з іншими цивілізаціями Всесвіту.
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 тривалий час не могли пояснити багато явищ. Спостереженням за вітрами займалися ще в Стародавній Греції. Вже в III в. до н. е.. було відомо, що вітер приносить ту чи іншу погоду. Правда, греки визначали тільки напрямок вітру. У Афінах близько 100 р. до н. е.. побудували так звану Вежу вітрів з укріпленою на ній "розою вітрів" (вежа існує до цього дня, немає тільки "троянди"). У Японії та Китаї також були відомі троянди вітрів: виготовлені у вигляді драконів, вони вказували напрямок вітру. Але головне призначення їх було інше: відлякувати злих духів - чужі вітри.
Величезна енергія рухомих повітряних мас. Запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії усіх 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 нашої країни, могли б легко задовольнити всі її потреби в електроенергії! Кліматичні умови дозволяють розвивати вітроенергетику на величезній території - від наших західних кордонів до берегів Єнісею. Багаті енергією вітру північні райони країни уздовж узбережжя Північного Льодовитого океану, де вона особливо необхідна мужнім людям, обживающим ці багатющі краю. Чому ж настільки багатий, доступний та і екологічно чисте джерело енергії так слабо використовується? У наші дні двигуни, що використовують вітер, покривають всього одну тисячну світових потреб в енергії.
За оцінками різних авторів, загальний вітроенергетичний потенціал Землі дорівнює 1200 ТВт, однак можливості використання цього виду енергії в різних районах Землі неоднакові. Середньорічна швидкість вітру на висоті 20-30 м над поверхнею Землі повинна бути досить великою, 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 / м 2 (швидкість повітряного потоку при цьому рівна 7 м / с), може перетворити в електроенергію близько 175 з цих 500 Вт / м 2.
Енергія, що міститься в потоці рухомого повітря, пропорційна кубу швидкості вітру. Однак не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично коефіцієнт корисного використання (КПІ) енергії повітряного потоку може бути рівний 59,3%. На практиці, згідно з опублікованими даними, максимальний корисного використання енергії вітру рівний приблизно 50%, однак 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, що видається реальним вітроенергетичний агрегатом, мабуть, становить 30-40% потужності повітряного потоку за умови, що цей агрегат працює стійко в діапазоні швидкостей, передбачених проектом. Проте іноді вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей. Швидкість вітру буває настільки низькою, що вітроагрегат зовсім не може працювати, або настільки високою, що вітроагрегат необхідно зупинити і вжити заходів щодо його захисту від руйнування. Якщо швидкість вітру перевищує номінальну робочу швидкість, частина витягуваної механічної енергії вітру не використовується, з тим щоб не перевищувати номінальної електричної потужності генератора. Враховуючи ці чинники, питома вироблення електричної енергії протягом року, мабуть, становить 15-30% енергії вітру, або навіть менше, залежно від місця розташування та параметрів вітроагрегату.
Новітні дослідження направлені переважно на отримання електричної енергії з енергії вітру. Прагнення використання 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. Малі вітроелектричні агрегати призначені для постачання електроенергією окремих будинків.
Споруджуються спеціальні станції переважно постійного струму. Вітряне колесо приводить у рух динамо-машину - генератор електричного струму, який одночасно заряджає паралельно з'єднані 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.
У невеликих масштабах спеціальні станції знайшли застосування кілька десятиліть тому. Найбільша з них потужністю 1250 кВт давала струм у мережу електропостачання американського штату Вермонт безперервно з 1941 по 1945 р. Проте після поломки ротора досвід перервався - ротор не стали ремонтувати, оскільки енергія від сусідньої теплової електростанції обходилася дешевше. З економічних причин припинилася експлуатація вітроелектричних станцій і в європейських країнах.
Сьогодні вітроелектричні агрегати надійно забезпечують струмом нафтовиків; вони успішно працюють у важкодоступних районах, на далеких островах, в Арктиці, на тисячах сільськогосподарських ферм, де немає поблизу великих населених пунктів і електростанцій загального користування. Американець Генрі Клюз в штаті Мен побудував дві щогли і зміцнив на них вітродвигуни з генераторами. 20 акумулятором по 6 В і 60 по 2 У служать йому в безвітряну погоду, а в якості резерву він має бензиновий двигун. За місяць Клюз отримує від своїх вітроелектричних агрегатів 250 кВт · год енергії; цього йому вистачає для освітлення всього господарства, живлення побутової апаратури (телевізора, програвача, пилососа, електричної друкарської машинки), а також для водяного насоса і добре обладнаній майстерні.
Широкому застосуванню вітроелектричних агрегатів у звичайних умовах поки перешкоджає їх висока собівартість. Навряд чи потрібно говорити, що за вітер платити не потрібно, однак машини, потрібні для того, щоб запрягти його в роботу, обходяться занадто дорого.
Зараз створені найрізноманітніші прототипи вітроелектричних генераторів (точніше, вітродвигунів з електрогенераторами). Одні з них схожі на звичайну дитячу вертушку, інші - на велосипедне колесо з алюмінієвими лопатями замість спиць. Існують агрегати у вигляді каруселі або ж у вигляді щогли з системою підвішених один над одним кругових ветроуловітелей, з горизонтальною або вертикальною віссю обертання, з двома або п'ятдесятьма лопатями.
На рис. 2. схематично показана вітроелектричної установки, побудована Національним управлінням з аеронавтики і дослідженню космічного простору (НАСА) у штаті Огайо. На вежі висотою 30,5 м укріплений генератор в поворотному обтічному корпусі; на валу генератора сидить пропелер з двома алюмінієвими лопатями довжиною 19 м і вагою 900 кг. Агрегат починає працювати при швидкості вітру 13 км / год, а найбільшої продуктивності (100 кВт) досягає при 29 км / ч. Максимальна швидкість обертання пропелера становить 40 об / хв.
У проектуванні установки найважча проблема полягала в тому, щоб при різній силі вітру забезпечити однакове число оборотів пропелера. Адже при підключенні до мережі генератор повинен давати не просто rкакую-то електричну енергію, а тільки змінний струм із заданим числом циклів у секунду, тобто зі стандартною частотою 60 Гц. Тому кут нахилу лопатей по відношенню до вітру регулюють за рахунок попорота їх навколо поздовжньої осі: при сильному вітрі цей кут гостріше, повітряний потік вільніше обтікає лопаті і віддає їм меншу частину своєї енергії. Крім регулювання лопатей весь генератор автоматично повертається на матчі проти вітру.
Зберігання вітряної енергії.
При використанні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії у вітряну погоду і нестача її в періоди безвітря. Як же накопичувати і зберегти про запас енергію вітру? Найпростіший 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 палива. Особливо перспективним видається останній спосіб. Електричний струм від вітроагрегату розкладає воду на кисень та водень. Водень можна зберігати в зрідженому вигляді і спалювати в топках теплових електростанцій у міру потреби.
Американський учений Вільям Херонімус вважає, що виробляти водень за рахунок енергії вітру найкраще па море. З цією метою він пропонує встановити біля берега високі щогли з вітродвигуна діаметром 60 м і генераторами. 13 тисяч таких установок могли б розміститися вздовж узбережжя Нової Англії (північно-схід США) і "ловити" переважаючі східні вітри. Деякі агрегати будуть закріплені на дні дрібного моря, інші будуть плавати на його поверхні. Постійний струм від вітроелектричних генераторів буде живити розташовані на дні електролізні установки, звідки водень буде по підводному трубопроводу подаватися на сушу.

Енергія річок.
Багато тисячоліть вірно служить людині енергія, ув'язнена в поточній воді. Запаси її на Землі колосальні. Недарма деякі вчені вважають, що нашу планету правильніше було б називати не Земля, а Вода - адже близько трьох чвертей поверхні планети покриті водою. Величезним акумулятором енергії служить Світовий океан, що поглинає велику її частину, що поступає від Сонця. Тут хлюпають хвилі, відбуваються припливи і відливи, виникають могутні океанські течії. Народжуються могутні річки, що несуть величезні маси води в моря й океани. Зрозуміло, що людство в пошуках енергії не могло пройти мимо таких гігантських її запасів. Раніше за все 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 Близькому Сході вже користувалися водяним колесом у вигляді валу з лопатками (мал. 3). 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 напором. На поволі поточних потоках водяні колеса з горизонтально розміщеними лопатками малоефективні.

Кроком вперед було водяне колесо Вітрувія (1 ст. Н. Е..), Схема якого показана на рис. 4. Це вертикальне колесо з великими лопатками і горизонтальним валом. Вал колеса пов'язаний дерев'яними зубчастими колесами з вертикальним валом, на якому сидить млинове жорно. Подібні млини і сьогодні можна зустріти на Малому Дунаї; вони перемелюють на годину до 200 кг зерна.
Майже півтори тисячі років після розпаду Римської імперії водяні колеса служили основним джерелом енергії для всіляких виробничих процесів в Європі, замінюючи фізичну працю людини.
Пристрої, в яких енергія води використовується для здійснення роботи, прийнято називати водяними (або гідравлічними.) Двигунами. Найпростіші і найдавніші з них - описані вище водяні колеса. Розрізняють колеса з верхнім, середнім і нижнім підведенням води.
У сучасній гідроелектростанції маса води з великою швидкістю спрямовується на лопатки турбін. Вода з-за дамби тече - через захисну сітку і регульований затвор - по сталевому трубопроводу до турбіни, над якою встановлено генератор. Механічна енергія води за допомогою турбіни передається генераторам і в них перетвориться в електричну. Після здійснення роботи вода стікає в річку через поступово розширюється тунель, втрачаючи при цьому свою швидкість.
Гідроелектростанції класифікуються по потужності на дрібних (зі встановленою електричною потужністю до 0,2 МВт), малі (до 2 МВт), середні (до 20 МВт) і великі (понад 20 МВт). Другий критерій, по якому розділяються гідроелектростанції, - натиск. Розрізняють низьконапірні (напір до 10 м), середнього натиску (до 100 м) і високонапірні (понад 100 м). У рідкісних випадках греблі високонапірних ГЕС досягають висоти 240 м. Такі дамби зосереджують перед турбінами водну енергію, накопичуючи воду і піднімаючи її рівень.
Витрати на будівництво ГЕС великі, але вони компенсуються тим, що не доводиться платити (принаймні, в явній формі) за джерело енергії - воду. Потужність сучасних ГЕС, спроектованих на високому інженерному рівні, перевищує 100 МВт, а К.П.Д. становить 95% (водяні колеса мають К. П.Д. 50-85%). Така потужність досягається за досить малих швидкостях обертання ротора (близько 100 об / хв), тому сучасні гідротурбіни вражають своїми розмірами. Наприклад, робоче колесо турбіни Волзької ГЕС ім. В. І. Леніна має висоту близько 10 м і важить 420 т.
Турбіна - енергетично дуже вигідна машина, тому що вода легко і просто змінює поступальний рух на обертальний. 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 парової турбіни).
Переваги гідроелектростанцій очевидні - постійно поновлюваний самою природою запас енергії, простота експлуатації, відсутність забруднення навколишнього середовища. Та й досвід будівництва та експлуатації водяних коліс міг би надати чималу допомогу гідроенергетика. Проте на будівництво греблі великої гідроелектростанції виявилася завданням куди складнішою, ніж будівництво невеличкий загати для обертання млинового колеса. Щоб привести в обертання могутні гідротурбіни, потрібно накопичити за дамбою величезний запас води. Для побудови греблі потрібно укласти таку кількість матеріалів, що обсяг гігантських єгипетських пірамід в порівнянні з ним покажеться нікчемним.
Тому на початку XX століття було побудовано всього кілька гідроелектростанцій. Поблизу П'ятигорська, на Північному Кавказі на гірській річці Подкумок успішно діяла досить велика електростанція з промовистою назвою "Білий вугілля". Це було лише початком.
Вже в історичному плані ГОЕЛРО передбачалося будівництво великих гідроелектростанцій. У 1926 році в лад увійшла Волховська ГЕС, в наступному - почалося будівництво знаменитої Дніпровської. Далекоглядна енергетична політика, що проводиться в нашій країні, призвела до того, що у нас, як ні в одній країні світу, розвинена система потужних гідроелектричних станцій. Жодна держава не може похвалитися такими енергетичними гігантами, як Волзькі, Красноярська та Братська, Саяно-Шушенська ГЕС. Ці станції, дають буквально океани енергії, стали центрами, навколо яких розвинулися потужні промислові комплекси.
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. Якщо б вдалося затримати їх за допомогою гребель, людство отримало б додатково колосальну кількість енергії.

Геотермальна енергія
Земля, ця маленька зелена планета,-наш спільний дім, з якого ми поки не можемо, та й не хочемо, йти. У порівнянні з міріадами інших планет Земля дійсно невелика: більша її частина вкрита затишній і цілющої зеленню. Але ця прекрасна і спокійна планета часом приходить у лють, і тоді з нею жарти погані - вона здатна знищити все, що милостиво дарувала нам з незапам'ятних часів. Грізні смерчі і тайфуни забирають тисячі життів, неприборкані води річок і морів руйнують все на своєму шляху, лісові пожежі за лічені години спустошують величезні території разом з будівлями і посівами.
Але все це дрібниці в порівнянні з виверженням вулкана, що прокинувся. Навряд чи знайдеш на Землі інші приклади стихійного вивільнення природної енергії, які за силою могли б змагатися з деякими вулканами.
Здавна люди знають про стихійні прояви гігантської енергії, що таїться в надрах земної кулі. Пам'ять людства зберігає перекази про катастрофічні виверженнях вулканів, що забрали мільйони людських життів, що невпізнанно змінили вигляд багатьох місць на Землі. Потужність виверження навіть порівняно невеликого вулкана колосальна, вона багато разів перевищує потужність найбільших енергетичних установок, створених руками людини. Правда, про безпосереднє використання енергії вулканічних вивержень говорити не доводиться - немає поки в людей можливостей приборкати цю непокірну стихію, та й, на щастя, виверження ці досить рідкісні події. Але це прояви енергії, що таїться в земних надрах, коли лише крихітна частка цієї невичерпної енергії знаходить вихід через вогнедишні жерла вулканів.
Енергетика землі - геотермальна енергетика базується на використанні природного теплоти Землі. Верхня частина земної кори має термічний градієнт, рівний 20-30 ° С у розрахунку на 1 км глибини, і, за даними Уайта (1965 р.), кількість теплоти, що міститься в земній корі до глибини 10 км (без урахування температури поверхні), дорівнює приблизно 12,6-10 ^ 26 Дж. Ці ресурси еквівалентні тепломісткість 4,6 · 10 16 т вугілля (приймаючи середню теплоту згоряння вугілля рівної 27,6-10 9 Дж / ​​т), що більш ніж в 70 тис. разів перевищує тепломісткість всіх технічно і економічно видобутих світових ресурсів вугілля. Однак геотермальна теплота у верхній частині земної кори (до глибини 10 км) занадто розсіяна, щоб на її базі вирішувати світові енергетичні проблеми. Ресурси, придатні для промислового використання, представляють собою окремі родовища геотермальної енергії, сконцентрованої на доступній для розробки глибині, що мають певні обсяги і температуру, достатні для використання їх у цілях виробництва електричної енергії або теплоти.
З геологічної точки зору геотермальні енергоресурси можна розділити на гідротермальні конвективні системи, гарячі сухі системи вулканічного походження і системи з високим тепловим потоком.
Гідротермальні системи
До категорії гідротермальних конвективних систем відносять підземні басейни пари або гарячої води, які виходять на поверхню землі, утворюючи гейзери, сірчисті грязьові озера і фумароли. Утворення таких систем пов'язане з наявністю джерела теплоти горячен або розплавленої скельної породою, розташованої відносно близько до поверхні землі. Над цією зоною високотемпературної скельної породи знаходиться формація з проникною гірської породи, що містить воду, яка піднімається вгору в результаті її підстилаючої гарячої породою. Проникна порода, у свою чергу, зверху покрита непроникною скельної породою, що утворює "пастку" для перегрітої води. Однак наявність у цій породі тріщин чи пір дозволяє гарячій воді або пароводяної суміші підніматися до поверхні землі. Гідротермальні конвективні системи зазвичай розміщуються на межі тектонічних плит земної кори, яким властива вулканічна активність.
У принципі для виробництва електроенергії на родовищах з гарячою водою застосовується метод, заснований на використанні пари, що утворився при випаровуванні гарячої рідини на поверхні. Цей метод використовує те явище, що при наближенні гарячої води (що знаходиться під високим тиском) по свердловинах з басейну до поверхні тиск падає і близько 20% рідини скипає і перетворюється на пару. Ця пара відділяється за допомогою сепаратора від води і прямує в турбіну. Вода, що виходить з сепаратора, може бути піддана подальшій обробці в залежності від її мінерального складу. Цю воду можна закачувати назад в скельні породи відразу або, якщо це економічно виправдано, з попереднім витягом з неї мінералів. Прикладами геотермальних родовищ з гарячою водою є Уайракей і Бродлендс в Новій Зеландії, Серро-Прієто в Мексиці, Солтон-Сі в Каліфорнії, отаку в Японії.
Іншим методом виробництва електроенергії на базі високо-або середньотемпературних геотермальних вод є використання процесу із застосуванням двоконтурного (бінарного) циклу. У цьому процесі вода, отримана з басейну, використовується для нагріву теплоносія другого контуру (фреону або ізобутану), що має низьку температуру кипіння. Пара, що утворився в результаті кипіння цієї рідини, використовується для приводу турбіни. Отработавший пара конденсується і знову пропускається через теплообмінник, створюючи тим самим замкнутий цикл. Установки, що використовують фреон як теплоносій другого контуру, про даний час підготовлені для промислового освоєння в діапазоні температур 75-150 ° С і при одиничній електричної потужності в межах 10-100 кВт. Такі установки можуть бути використані для виробництва електроенергії у відповідних для цього місцях, особливо у віддалених сільських районах.
Гарячі системи вулканічного походження
До другого типу геотермальних ресурсів (гарячі системи вулканічного походження) відносяться магма й непроникні гарячі сухі породи (зони застиглої породи навколо магми і покривають її скельні породи). Отримання геотермальної енергії безпосередньо з магми поки технічно нездійсненно. Технологія, необхідна для використання енергії гарячих сухих порід, тільки починає розроблятися. Попередні технічні розробки методів використання цих енергетичних ресурсів передбачають пристрій замкнутого контуру з циркулюючої по ньому рідиною, що проходить через гарячу породу (рис. 5). Спочатку пробурівают свердловину, що сягає області залягання гарячої породи; потім через неї в породу під великим тиском закачують холодну воду, що призводить до утворення в ній тріщин. Після цього через утворену таким чином зону тріщинуватої породи пробурівают другу свердловину. Нарешті, холодну воду з поверхні закачують в першу свердловину. Проходячи через гарячу породу, вона нагрівається II витягується через другу свердловину у вигляді пари або гарячої води, які потім можна використовувати для виробництва електроенергії одним з розглянутих раніше способів.
Системи з високим тепловим потоком
Геотермальні системи третього типу існують у тих районах, де в зоні з високими значеннями теплового потоку розташовується глибокозалягаючих осадовий басейн. У таких районах, як Паризький або Угорський басейни, температура води, що надходить із свердловин, може досягати 100 ° С.
Особлива категорія родовищ цього типу знаходиться в районах, де нормальний тепловий потік через грунт виявляється в пастці з ізолюючих непроникних пластів глини, що утворилися в швидко опускаються геосинклінальних зонах або в областях опускання земної кори. Температура води, що надходить з геотермальних родовищ в зонах геодавленія, може досягати 150-180 ° С, а тиск у гирла свердловини 28-56 МПа. Добова продуктивність у розрахунку на одну свердловину може становити кілька мільйонів кубічних метрів флюїду. Геотермальні басейни в зонах підвищеного геодавленія знайдені в багатьох районах у ході нефтегазоразведкі, наприклад, в Північній і Південній Америці, на Далекому і Близькому Сході, в Африці та Європі. Можливість використання таких родовищ в енергетичних цілях поки ще не продемонстровано.

Енергія світового океану
Різке збільшення цін на паливо, труднощі з його отриманому, повідомлення про виснаження паливних ресурсів - всі ці видимі ознаки енергетичної кризи викликали в останні роки в багатьох країнах значний інтерес до нових джерел енергії, у тому числі до енергії Світового океану.
Теплова енергія океану
Відомо, що запаси енергії у Світовому океані колосальні, адже дві третини земної поверхні (361 млн. км 2) займають моря і океани - акваторія Тихого океану становить 180 млн. км 2. Атлантичного - 93 млн. км 2, Індійського - 75 млн. км 2. Так, теплова (внутрішня) енергія, відповідна перегріву поверхневих вод океану в порівнянні з донними, скажімо, на 20 градусів, має величину порядку 10 26 Дж. Кінетична енергія океанських течій оцінюється величиною порядку 10 18 Дж. Однак поки що люди вміють використовувати лише незначні частки цієї енергії, та й то ціною великих і повільно окупаються капіталовкладень, так що така енергетика досі здавалася малоперспективною.
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 перетворення 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. У їх число 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 700 м, третій - для перекачування вторинної робочої рідини усередині самої системи, тобто з конденсатора у випарник. В якості вторинної робочий рідини застосовується аміак.
Установка міні-ОТЕС змонтована на баржі. Під її днищем поміщений довгий трубопровід для забору холодної води. Трубопроводом служить поліетиленова труба довжиною 700 м з внутрішнім діаметром 50 см. Трубопровід прикріплений до днища судна за допомогою особливого затвора, що дозволяє у випадку необхідності ого швидке від'єднання. Поліетиленова труба одночасно використовується і для заякоріванія системи труба-судно. Оригінальність подібного рішення не викликає сумнівів, оскільки якірні постановки для розроблюваних нині більш потужних систем ОТЕС є досить серйозною проблемою.
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 побудувати більш потужну теплоенергетичні установки ОТЕС-1 і приступити до проектування ще могутніших систем подібного типу.
Нові станції ОТЕС на потужність у багато десятків і сотень мегават проектуються без судна. Це - одна грандіозна труба, у верхній частині якої знаходиться круглий машинний зал, де розміщені всі необхідні пристрої для перетворення анергії (рис. 6). Верхній кінець трубопроводу холодної води розташується в океані на глибині 25-50 м. Машинний зал проектується навколо труби на глибині близько 100 м. Там будуть встановлені турбоагрегати, що працюють на парах аміаку, а також все інше обладнання. Маса всього споруди перевищує 300 тис. т. Труба-монстр, що йде майже на кілометр в холодну глибину океану, а в її верхній частині щось подібне до маленького острівця. І ніякого судна, крім, звичайно, звичайних судів, необхідних для обслуговування системи і для зв'язку з берегом.
Енергія припливів і відливів.
Століттями люди роздумували над причиною морських припливів і відливів. Сьогодні ми достовірно знаємо, що могутнє природне явище - ритмічний рух морських вод викликають сили тяжіння Місяця і Сонця. Оскільки Сонце знаходиться від Землі в 400 раз далі, набагато менша маса Місяця діє на земні поди удвічі сильніше, ніж маса Сонця. Тому вирішальну роль грає приплив, викликаний Місяцем (місячний приплив). У морських просторах приливи чергуються з відливами теоретично через 6 год 12 хв 30 с. Якщо Місяць, Сонце і Земля знаходяться на одній прямій (так звана сизигія), Сонце своїм тяжінням підсилює дію Місяця, і тоді наступає сильний прилив (сізігійний приплив, або велика вода). 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 й 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 Амазонці. У закритих морях, наприклад Чорному або Середземному, виникають малі приливні хвилі заввишки 50-70 см.
Максимально можлива потужність в одному циклі приплив - відплив, тобто від одного приливу до іншого, виражається рівнянням

де р - щільність води, g - прискорення сили тяжіння, S - площа приливного басейну, R - різниця рівнів при нападі.
Як видно з (формули, для використання припливної енергії найбільш відповідними можна рахувати такі місця на морському узбережжі, 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. У 1935 р. приливну електростанцію почали будувати в США. Американці перегородили частину затоки Пассамакводі на східному узбережжі, витратили 7 млн. дол, але роботи довелося припинити через незручне для будівництва, занадто глибокого і м'якого морського дна, а також через те, що побудована неподалік велика теплова електростанція дала більш дешеву енергію.
Аргентинські фахівці пропонували використовувати дуже високу приливну хвилю в Магеллановій протоці, за уряд не затвердив дорогий проект.
З 1967 р. в гирлі річки Ранс у Франції на припливах висотою до 13 метрів працює ПЕС потужністю 240 тис. кВт з річною віддачею 540 тис. кВт * год Радянський інженер Бернштейн розробив зручний спосіб будівлі блоків ПЕМ, що буксируються на плаву в потрібні місця, і розрахував рентабельну процедуру включення ПЕМ в енергомережі під час їх максимального навантаження споживачами. Його ідеї перевірені на ПЕС, побудованої в 1968 році в Кислої Губі близько Мурманська; своєї черги чекає ПЕМ на 6 млн. кВт в Мезенском затоці на Баренцовому морі.
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 вітряками, "зануреним" в атмосферу).
Найважливіше і найвідоміше морська течія - Гольфстрім. Його основна частина проходить через Флоридський протоку між півостровом Флорида і Багамські острови. Ширина течії становить 60 км, глибина до 800 м, а поперечний переріз 28 км 2. Енергію Р, яку несе такий потік води зі швидкістю 0,9 м / с, можна виразити формулою (у ВАТ)

де т - маса води (кг), р - щільність води (кг / м 3), А - переріз (м 2), v-швидкість (м / с). Підставивши цифри, отримаємо

Якщо б ми змогли повністю використати цю енергію, вона була б еквівалентна сумарної енергії від 50 великих електростанцій по 1000 МВт, Але ця цифра суто теоретична, а практично можна розраховувати на використання лише близько 10% енергії течії.
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. За оцінками вчених, за рахунок енергії морських хвиль з англійських територіальних водах можна було б отримати потужність до 120 ГВт, що вдвічі перевищує потужність всіх електростанцій, що належать Британському Центральному електроенергетичному управління.
Один з проектів використання морських хвиль заснований на принципі коливного водяного стовпа. У гігантських "коробах" без дна і з отворами вгорі під впливом хвиль рівень води то піднімається, то опускається. Стовп води в коробі діє на зразок поршня: засмоктує повітря і нагнітає його в лопатки турбін. Головні труднощі тут становить 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 моря.

Енергія сонця.
Для древніх народів Сонце було богом. У Верхньому Єгипті, культура якого сходить до четвертого тисячоліття до н.е., вірили, що рід фараонів веде своє походження від Ра - бога Сонця. Напис на одній з пірамід представляє фараона як намісника Сонця на Землі, "який зцілює нас своєю турботою, коли вийде, подібно до Сонця, що дає зелень земель. Кожен погляд злякається, коли побачить його в образі Ра, що встає над горизонтом ".
Своєю жизнетворной силою Сонце завжди викликало у людей почуття 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 чи інакше використовують енергію Сонця: вугілля, нафту, природний газ суть не що інше, як "законсервована" сонячна енергія. Вона укладена 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 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.
В усіх наведених прикладах сонячна енергія використовується побічно, через багато проміжних перетворень. Заманливо 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 земної поверхні . Вся енергія, що випускається Сонцем, більше тієї її частини, яку отримує Земля, в 5000000000 разів. Але навіть така "нікчемний" величина в 1600 разів більше енергії, яку дають всі інші джерела, разом узяті. Сонячна енергія, падаюча на поверхню одного озера, еквівалентна потужності крупної електростанції.
Згідно з легендою Архімед, перебуваючи на березі, знищив ворожий римський флот під Сіракузами. Як? За допомогою запальних дзеркал. Відомо, що подібні дзеркала робилися також у VI столітті. А в середині XVIII століття французький натураліст Ж. Бюффон провадив досліди з великим увігнутим дзеркалом, що складається з безлічі маленьких плоских. Вони були рухомими і фокусували в одну точку відображені сонячні промені. Цей апарат був здатний в ясний літній день з відстані 68 м досить швидко запалити просочене смолою дерево. Пізніше у Франції було виготовлено увігнуте дзеркало діаметром 1,3 м, у фокусі якого можна було за 16 секунд розплавити чавунний стрижень. В Англії ж відшліфували велике двоопуклою скло, з його допомогою вдавалося розплавляти чавун за три секунди і граніт - за хвилину.
У кінці XIX століття на Всесвітній виставці в Парижі винахідник О. Мушо демонстрував інсолятор - по суті перший пристрій, перетворювало сонячну енергію в механічну. Але принцип був тим же: велика увігнуте дзеркало фокусували сонячні промені на паровому котлі, який приводив у рух друкарську машину, яка робила по 500 відбитків газети на годину. Через кілька років в Каліфорнії побудували діє за таким же принципом конічний рефлектор в парі з паровою машиною потужністю 15 л. с.
І хоча з того часу то в одній, то в іншій країні з'являються експериментальні рефлектори-нагрівачі, а у публікованих статтях все голосніше нагадують про невичерпність нашого світила, рентабельніше вони від цього не стають і широкого поширення поки не отримують: надто дороге задоволення це дармовий сонячне випромінювання.
Сьогодні для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію ми маємо в своєму розпорядженні двома можливостями: 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. Реалізація обох можливостей поки перебуває в зародковій стадії. У значно ширших масштабах сонячну енергію використовують після її концентрації за допомогою дзеркал - для плавлення речовин, дистиляції води, нагріву, опалювання і т. д.
Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена по великій площі (іншими словами, має низьку щільність), будь-яка установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збирає пристрій (колектор) з достатньою поверхнею.
Простий пристрій такого роду-плоский колектор; в принципі це 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 та нагріває робочу речовину в трубках. Теплове випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в ньому значно вища (па 200-500 ° С), ніж температура навколишнього повітря. У цьому виявляється так званий парниковий ефект. Звичайні садові парники, по суті справи, є прості колектори 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.
Більш складним і дорогим колектором є увігнуте дзеркало, яке зосереджує падаюче випромінювання в малому об'ємі близько певної геометричної точки - фокуса. Відбиває поверхня дзеркала виконана з металізованої пластмаси або складена з багатьох малих плоских дзеркал, прикріплених до великого параболическому основи. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця-це дозволяє збирати якомога більшу кількість сонячного випромінювання. Температура в робочому просторі дзеркальних колекторів досягає 3000 ° С і вище.
Сонячна енергетика належить до найбільш матеріаломістким видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії тягне за собою гігантське збільшення потреби в матеріалах, а отже, і в трудових ресурсах для видобутку сировини, її збагачення, отримання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, іншої апаратури, їх перевезення. Підрахунки показують, що для виробництва 1 МВт * год електричної енергії за допомогою сонячної енергетики буде потрібно затратити від 10 000 до 40 000 людино-годин. У традиційній енергетиці на органічному паливі цей показник становить 200-500 людино-годин.

Поки що електрична енергія, породжена сонячним промінням, набагато дорожче, ніж отримувана традиційними способами. Вчені сподіваються, що експерименти, які вони проведуть на досвідчених установках і станціях, допоможуть вирішити не тільки технічні, але й економічні проблеми. Але, тим не менш, станції-перетворювачі сонячної енергії будують і вони працюють.
З 1988 року на Керченському півострові працює Кримська сонячна електростанція. Здається, самим здоровим глуздом визначено її місце. Вже якщо де і будувати такі станції, так це в першу чергу в краю курортів, санаторіїв, будинків відпочинку, туристських маршрутів; в краю, де треба багато енергії, але ще важливіше зберегти в чистоті довкілля, саме добробут якої, і перш за все чистота повітря, цілюще для людини.
Кримська СЕС невелика - потужність всього 5 МВт. У певному сенсі вона - проба сил. Хоча, здавалося б, чого ще треба пробувати, коли відомий досвід будівництва геліостанцій в інших країнах.
На острові Сицилія ще на початку 80-х років дала струм сонячна електростанція потужністю 1 МВт. Принцип її роботи теж баштовий. Дзеркала фокусують сонячні промені на приймачі, розташованому на 50-метровій висоті. Там виробляється пар з температурою більше 600 ° С, який приводить в дію традиційну турбіну з підключеним до неї генератором струму. Незаперечно доведено, що на такому принципі можуть працювати електростанції потужністю 10-20 МВт, а також і набагато більше, якщо групувати подібні модулі, під'єднав їх один до одного.
Дещо іншого типу електростанція в Алькеріі на півдні Іспанії. Її відмінність в тому, що сфокусоване на вершину вежі сонячне тепло приводить у рух натрієвий кругообіг, а той уже нагріває воду до утворення пари. У такий варіант ряд переваг. Натрієвий акумулятор тепла забезпечує не тільки безперервну роботу електростанції, але дає можливість частково накопичувати надлишкову енергію для роботи в похмуру погоду і вночі. Потужність іспанської станції має всього 0,5 МВт. Але на її принципі можуть бути створені куди більші - до 300 МВт. У установках цього типу концентрація сонячної анергії настільки висока, що ККД паротурбінного процесу тут нітрохи не гірше, ніж на традиційних теплових електростанціях.
На думку фахівців, найбільш привабливою 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 · год (приблизно стільки енергії виробляє досить велика ГЕС) при к.к.д. 10% зажадала б ефективною поверхні близько 500000 м 2. Ясно, що така 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.) . Напівпровідникові сонячні батареї вперше були встановлені на третьому радянському штучному супутнику Землі (запущеному на орбіту 15 травня 1958).
Йде робота, йдуть оцінки. Поки вони, треба визнати, не на користь сонячних електростанцій: сьогодні ці споруди все ще належать до найбільш складних і самим дорогим технічним методам використання геліоенергіі. Потрібні нові варіанти, нові ідеї. Нестачі в них немає. З реалізацією гірше.

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 здавалася нерозв'язною. 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 зустрічається в природі уран містить три ізотопи: уран-238 (238 U), уран-235 (235 U) і уран-234 (234 U), 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 напрямках.
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 саме, що зробив перший, коли розщепив одне ядро. У самому справі, вигідна калькуляція: замість одного нейтрона отримуємо два-три з такою ж здатністю розщепити 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 окупували 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.
Перший ядерний реактор в СРСР (і в Європі) був побудований під керівництвом акад. І. В. Курчатова і запущений в 1946 р.
Небаченими темпами розвивається сьогодні атомна енергетика. За тридцять років загальна потужність ядерних енергоблоків виросла з 5 тисяч до 23 мільйонів кіловат! Деякі вчені висловлюють думку, що до 21 століттю близько половини всієї електроенергії у світі буде вироблятися на атомних електростанціях.
У принципі енергетичний ядерний реактор влаштований досить просто - в ньому, 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. Цю махину замінив відносно невеликий ядерний реактор.

Атомні реактори на теплових нейтронах розрізняються між собою головним чином за двома ознаками: які речовини використовуються як сповільнювач нейтронів і які як теплоносій, за допомогою якого здійснюється відведення тепла з активної зони реактора. Найбільшого поширення в даний час мають водо-водяні реактори, в яких звичайна вода служить і сповільнювачем нейтронів, і теплоносієм, уран-графітові реактори (сповільнювач - графіт, теплоносій - звичайна вода), газографітового реактори (сповільнювач - графіт, теплоносій - газ, часто вуглекислота), важководні реактори (сповільнювач - важка вода, теплоносій - або важка, або звичайна вода).
Ні рис. 9 представлена ​​принципова схема водо-водяного реактора. Активна зона реактора є товстостінним посудину, в якому знаходяться вода і занурені в неї збірки тепловиділяючих елементів (ТВЕЛів). Тепло, що виділяється ТВЕЛами забирається водою, температура якої значно підвищується.
Конструктори довели потужність таких реакторів до мільйона кіловат. Могутні енергетичні агрегати встановлені на Запорізькій, Балаковської та інших атомних електростанціях. Незабаром реактори такої конструкції, мабуть, наздоженуть по потужності і рекордсмена - полуторамілліонік з Ігналінської АЕС.
Але все-таки майбутнє ядерної енергетики, мабуть, залишиться за третім типом реакторів, принцип роботи і конструкція яких запропоновані вченими, - реакторами на швидких нейтронах. Їх називають ще реакторах. Звичайні реактори використовують уповільнені 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. Інший уран у звичайних реакторах використовуватися не може. Виникає питання: а чи вистачить цього рідкісного ізотопу урану на скільки-небудь тривалий час або ж людство знову зіткнеться з проблемою браку енергетичних ресурсів?
Більше тридцяти років тому ця проблема була поставлена ​​перед колективом лабораторії Фізико-енергетичного інституту. Вона була вирішена. Керівником лабораторії Олександром Іллічем Лейпунським була запропонована конструкція реактора на швидких нейтронах. У 1955 році була побудована перша така установка. Переваги реакторів на швидких нейтронах очевидні. У них для отримання енергії можна використовувати всі запаси природних урану і торію, а вони величезні - тільки у Світовому океані розчинено більш чотирьох мільярдів тонн урану.
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 вчені та інженери зуміють знайти необхідні рішення.

Воднева енергетика
Багато фахівців висловлюють побоювання з 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 зароджуються сонячні, вітряні і геотермальні станції, будуть у все більш широкому масштабі (і в Зрештою виключно) працювати для виробництва електричної енергії. Тому вчені зайняті пошуком принципово нових енергетичних систем.
К.к.д. теплових електростанцій відносно низький, хоча конструктори докладають всі сили, щоб його підвищити. У сучасних електростанціях на органічному паливі він становить близько 40%, а в атомних електростанціях - 33%. При цьому велика частка енергії втрачається з відхідним теплом (наприклад, разом зі скидається з систем охолодження теплою водою), що призводить до так званого теплового забруднення навколишнього середовища. Звідси випливає, що теплові електростанції потрібно будувати у тих місцях, де є а достатній кількості охолоджуюча вода, або ж у відкритих вітрам місцевостях, де повітряне охолодження не буде впливати негативно на мікроклімат. До цього додаються питання безпеки та гігієни. Саме тому майбутні великі АЕС повинні розташовуватися якомога далі від густонаселених районів. Але тим самим джерела електроенергії віддаляються від її споживачів, що значно ускладнює проблему електропередачі.
Передача електроенергії по проводах обходиться дуже дорого: вона складає біля третини собівартості енергії для споживача. Щоб знизити 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 факторів. 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 змінюється протягом доби, тижня і року, 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 в свою чергу пов'язані з безліччю проблем.
Всі ці проблеми, що стоять перед сучасною енергетикою, могло б - на думку багатьох фахівців - вирішити використання водню в якості палива і створення так званого водневого енергетичного господарства.
Водень, найпростіший і найлегший із 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, окису 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, ніж повітряні електричні лінії. Передача енергії у формі газоподібного водню по трубопроводу діаметром 750 мм на відстань понад 80 км обійдеться дешевше, ніж передача тоги ж кількості енергії у формі змінного струму по підземному кабелю. На відстанях більше 450 км трубопровідний транспорт водню дешевший, ніж використання повітряної лінії електропередачі постійного струму з напругою 40кВ, а па відстані понад 900 км - дешевше повітряної лінії електропередачі змінного струму з напругою 500 кВ.
Водень - синтетичне паливо. Його можна отримувати з вугілля, нафти, природного газу або шляхом розкладання води. Згідно з оцінками, сьогодні в світі виробляють і споживають близько 20 млн. т водню в рік. Половина цієї кількості витрачається на виробництво аміаку і добрив, а решта - 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 рази дорожче, ніж енергія від спалювання бензину. До того ж собівартість такого водню постійно зростає в міру підвищення цін на нафту.
Невелика кількість водню отримують шляхом електролізу. Виробництво водню методом електролізу води обходиться дорожче, 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 вище ціни 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, полунепроніцаемие мембрани і т. п.
Велику увагу приділяють термолітіческому методу, який (у перспективі) полягає в розкладанні води на водень і кисень при температурі 2500 ° С. Але такий температурний межа інженери ще не освоїли у великих технологічних агрегатах, в тому числі і працюючих на атомній енергії (у високотемпературних реакторах поки розраховують лише на температуру близько 1000 ° С). Тому дослідники прагнуть розробити процеси, що протікають у кілька стадій, що дозволило б виробляти водень в температурних інтервалах нижче 1000 ° С.
У 1969 р. в італійському відділенні "Євратому" була пущена в експлуатацію установка для термолітіческого отримання водню, що працює з к.к.д. 55% при температурі 730 ° С. При цьому використовували бромистий кальцій, воду і ртуть. Вода в установці розкладається на водень і кисень, а інші реагенти циркулюють в повторних циклах. Інші - сконструйовані установки працювали - при температурах 700-800 ° С. Як вважають, високотемпературні реактори дозволять підняти ККД таких процесів до 85%. Сьогодні ми не в змозі точно передбачити, скільки буде коштувати водень. Але якщо врахувати, що ціни всіх сучасних видів енергії виявляють тенденцію до зростання, можна припустити, що в довгостроковій перспективі енергія у формі водню буде обходитися дешевше, ніж у формі природного газу, а можливо, і у формі електричного струму.
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 будуть відрізнятися від сучасних пальників, які застосовуються для спалювання природного газу.
Як ми вже говорили, при спалюванні водню не залишається ніяких шкідливих продуктів згоряння. Тому відпадає потреба в системах відведення цих продуктів для опалювальних пристроїв, що працюють на водні, Більш того, що утворюється при горінні водяний пар можна вважати корисним продуктом - він зволожує повітря (як відомо, в сучасних квартирах з центральним опаленням повітря дуже сухе). А відсутність димарів не тільки сприяє економії будівельних витрат, але і підвищує к. п. д. опалення на 30%.
Водень може служити і хімічною сировиною у багатьох галузях промисловості, наприклад при виробництві добрив та 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 хоча б одну область людської діяльності, яка не вимагала б - прямо або побічно - більше енергії, ніж її можуть дати м'язи людини.
Споживання енергії - важливий показник життєвого рівня. У ті часи, коли людина добував їжу, збираючи лісові плоди і полюючи на тварин, йому було потрібно в добу близько 8 МДж енергії. Після оволодіння вогнем ця величина зросла до 16 МДж: у примітивному сільськогосподарському товаристві вона становила 50 МДж, а в більш розвинутій - 100 МДж.
За час існування нашої цивілізації багато разів відбувалася зміна традиційних джерел енергії на нові, більш досконалі. І не тому, що старе джерело було вичерпано.
Сонце світило і обігрівало людини завжди: і тим не менше одного разу люди приручили вогонь, почали палити деревину. Потім деревина поступилася місцем кам'яному вугіллю. Запаси деревини здавалися безмежними, але парові машини вимагали більш калорійного "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 тонною нафти потрібно йти все далі на північ або схід, зариватися все глибше в землю. Не дивно, що нафта і газ з кожним роком коштуватимуть нам все дорожче.
Заміна? Потрібен новий лідер енергетики. Їм, безперечно, стануть ядерні джерела.
Запаси урану, якщо, скажімо, порівнювати їх із запасами вугілля, начебто не такі вже й великі. Але зате на одиницю ваги він містить в собі енергії в мільйони разів більше, ніж вугілля.
А підсумок такий: при отриманні електроенергії на АЕС потрібно затратити, вважається, в сто тисяч разів менше засобів і праці, ніж при добуванні енергії з вугілля. І ядерне пальне приходить на зміну нафти і вугіллю ... Завжди було так: наступне джерело енергії був і більш потужним. То була, якщо можна так висловитися, "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. Зараз, в кінці 20 століття, починається новий, значний етап земної енергетики. З'явилася енергетика "щадна". Побудована те, щоб людина не рубав сук, на якому він сидить. Дбав про охорону вже сильно ушкодженої біосфери.
Безсумнівно, у майбутньому паралельно з лінією інтенсивного розвитку енергетики отримають широкі права громадянства і лінія екстенсивна: розосереджені джерела енергії не дуже великої потужності, але зате з високим ККД, екологічно чисті, зручні в зверненні.
Яскравий приклад тому - швидкий старт електрохімічної енергетики, яку пізніше, мабуть, доповнить енергетика сонячна. Енергетика дуже швидко акумулює, асимілює, вбирає в себе всі самі новітні ідей, винаходи, досягнення науки. Це й зрозуміло: енергетика пов'язана буквально з Усім, і Всі тягнеться до енергетики, залежить від неї.
Тому енергохімія, воднева енергетика, космічні електростанції, енергія, запечатана в антивеществе, кварках, "чорних дірах", вакуумі, - це всього лише найбільш яскраві віхи, штрихи, окремі рисочки того сценарію, який пишеться на наших очах і який можна назвати Завтрашнім Днем Енергетики.
Лабіринти енергетики. Таємничі переходи, вузькі, звивисті стежки. Повні загадок, перешкод, несподіваних осяянь, криків суму і поразок, кліків радості і перемог. Тернистий, непростий, непромис енергетичний шлях людства. Але ми віримо, що ми на шляху до Ері Енергетичного Достатку і що всі перепони, перешкоди і труднощі будуть подолані.
Розповідь про енергію може бути нескінченний, незлічимі альтернативні форми її використання за умови, що ми повинні розробити для цього ефективні і економічні методи. Не так важливо, яка ваша думка про потреби енергетики, про джерела енергії, її якості, і собівартості. Нам, мабуть. слід лише погодитися з тим, що сказав вчений мудрець, ім'я якого залишилося невідомим: "Немає простих рішень, є тільки розумний вибір".

Список літератури
1. Аугуста Голдін. Океани енергії. - Пер. з англ. - М.: Знание, 1983. - 144 с.
2. Баланчевадзе В. І., Барановський О. І. та ін; Під ред. А. Ф. Дьякова. Енергетика сьогодні і завтра. - М.: Вища школа, 1990. - 344 с.
3. Більш ніж достатньо. Оптимістичний погляд на майбутнє енергетики світу / За ред. Р. Кларка: Пер. з англ. - М.: Вища школа, 1984. - 215 с.
4. Бурдаков В.П.. Електроенергія з космосу. - М.: Вища школа, 1991. - 152 с.
5. Вершинський Н. В. Енергія океану. - М.: Наука, 1986. - 152 с.
6. Гуревич Ю. Холодне горіння. / / Квант. - 1990 р. - № 6. - Ст. 9-15.
7. Джерела енергії. Факти, проблеми, рішення. - М.: Наука і техніка, 1997. - 110 с.
8. Кириллин В. А. Енергетика. Головні проблеми: У питаннях і відповідях. - М.: Знання, 1990. - 128 с.
9. Кононов Ю. Д.. Енергетика і економіка. Проблеми переходу до нових джерел енергії. - М.: Наука, 1981. - 190 с.
10. Меркулов О. П. У пошуках ЕНЕРГІЇ майбутнього. - К.: Наукова думка, 1991. - 123 с.
11. Світова енергетика: прогноз розвитку до 2020 р. / Пер. з англ. під ред. Ю. Н. Старшікова. - М.: Енергія, 1980. - 256 с.
12. Нетрадиційні джерела енергії. - М.: Знання, 1982. - 120 с.
13. Підгорний О. М. Воднева енергетика. - М.: Наука, 1988 .- 96 с.
14. Соснов А. Я. Енергія Землі. - Л.: Лениздат, 1986. - 104 с.
15. Шейдлін А. Є. Нова енергетика. - М.: Наука, 1987. - 463 с.
16. Шульга В. Г., Коробко Б. П., Жовмір М. М. Основні результати та Завдання впровадження нетрадиційних та відновлюваніх ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ в Україні. / / Енергетика та електрифікація. - 1995 р. - № 2. - Ст. 39-42.
17. Енергетика світу: Переклади доповідей XI конгресу МІРЕК / Под ред. П. С. Непорожнього. - М.: Вища школа, 1982. - 216 с.
18. Енергетичні ресурси світу / За ред. П. С. Непорожнього, В.І. Попкова. - М.: Вища школа, 1995. - 232 с.
19. Ю. Тельдеші, Ю. Лісові. Світ шукає енергію. - М.: Світ, 1981. - 440 с.
20. Юдасин Л. С.. Енергетика: проблеми та надії. - М.: Просвещение, 1990. - 207с.
Список літератури
21. Аугуста Голдін. Океани енергії. - Пер. з англ. - М.: Знание, 1983. - 144 с.
22. Баланчевадзе В. І., Барановський О. І. та ін; Під ред. А. Ф. Дьякова. Енергетика сьогодні і завтра. - М.: Вища школа, 1990. - 344 с.
23. Більш ніж достатньо. Оптимістичний погляд на майбутнє енергетики світу / За ред. Р. Кларка: Пер. з англ. - М.: Вища школа, 1984. - 215 с.
24. Бурдаков В.П.. Електроенергія з космосу. - М.: Вища школа, 1991. - 152 с.
25. Вершинський Н. В. Енергія океану. - М.: Наука, 1986. - 152 с.
26. Гуревич Ю. Холодне горіння. / / Квант. - 1990 р. - № 6. - Ст. 9-15.
27. Джерела енергії. Факти, проблеми, рішення. - М.: Наука і техніка, 1997. - 110 с.
28. Кириллин В. А. Енергетика. Головні проблеми: У питаннях і відповідях. - М.: Знання, 1990. - 128 с.
29. Кононов Ю. Д.. Енергетика і економіка. Проблеми переходу до нових джерел енергії. - М.: Наука, 1981. - 190 с.
30. Меркулов О. П. У пошуках ЕНЕРГІЇ майбутнього. - К.: Наукова думка, 1991. - 123 с.
31. Світова енергетика: прогноз розвитку до 2020 р. / Пер. з англ. під ред. Ю. Н. Старшікова. - М.: Енергія, 1980. - 256 с.
32. Нетрадиційні джерела енергії. - М.: Знання, 1982. - 120 с.
33. Підгорний О. М. Воднева енергетика. - М.: Наука, 1988 .- 96 с.
34. Соснов А. Я. Енергія Землі. - Л.: Лениздат, 1986. - 104 с.
35. Шейдлін А. Є. Нова енергетика. - М.: Наука, 1987. - 463 с.
36. Шульга В. Г., Коробко Б. П., Жовмір М. М. Основні результати та Завдання впровадження нетрадиційних та відновлюваніх ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ в Україні. / / Енергетика та електрифікація. - 1995 р. - № 2. - Ст. 39-42.
37. Енергетика світу: Переклади доповідей XI конгресу МІРЕК / Под ред. П. С. Непорожнього. - М.: Вища школа, 1982. - 216 с.
38. Енергетичні ресурси світу / За ред. П. С. Непорожнього, В.І. Попкова. - М.: Вища школа, 1995. - 232 с.
39. Ю. Тельдеші, Ю. Лісові. Світ шукає енергію. - М.: Світ, 1981. - 440 с.
40. Юдасин Л. С.. Енергетика: проблеми та надії. - М.: Просвещение, 1990. - 207с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Фізика та енергетика | Диплом
208.7кб. | скачати


Схожі роботи:
Механічна енергія
Альтернативна енергія
Альтернативна енергія 2
Енергія активації
Атомна енергія 2
Енергія Гіббса
Енергія Сонця
Енергія зірок
Атомна енергія
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru