8 класс
Урок 51
Энергия в жизни человека. Способы сохранения энергетических ресурсов.
Изучение материала урока
ЕНЕРГІЯ СОНЦЯ НЕ МАЄ РІВНИХ
У світі все більше почали звертати увагу на використання відновлюваних джерел енергії. Практично всі джерела енергії повністю зумовлені прямою дією Сонця. Одним із найбільш перспективних джерел енергії є пряме перетворення сонячного випромінювання в електрику в напівпровідникових сонячних елементах. Нині індустрія, яка пов’язана з виробництвом сонячних батарей, переживає неабиякий бум. Найбільш інтенсивно сонячна енергія використовується в Європі: за кількістю виробленої енергії перша Німеччина, а за кількістю на одного мешканця країни — Швейцарія.
Сонячна енергія не має собі рівних за екологічністю і ресурсною базою. Матеріалом для виготовлення сонячних батарей є кремній. Один кілограм кремнію у фотоелектричній станції за 30 років виробляє електричну енергію, для виробництва якої на тепловій електростанції потрібно 75 т нафти. Розрахунки показують — потрібні порівняно невеликі площі, щоб забезпечити людство електроенергією. І така енергетика справді абсолютно екологічна — вона не нагріває додатково Землю, оскільки використовує сонячне проміння, що все одно падає на нашу планету.
Одержання електроенергії із сонячного проміння стало рентабельним не відразу. Досі головною перешкодою на шляху широкого впровадження сонячних батарей, що перетворюють сонячне проміння на електрику, була ціна, але завдяки стрімкому розвитку сонячної енергетики за останнє десятиліття ціни на дорогі кремнієві батареї знизилися майже втричі.
Єдине, що стримує ще поширення сонячної енергетики — це висока ціна енергії, яку отримують від сонячних елементів. Тому окупність енергії, що виробляється сонячними батареями, складає більше ніж 20—30 років. Вартість 1 кВт/год електроенергії, яка виробляється фотомодулями, сьогодні значно вища, ніж для традиційної енергетики, але слід зауважити, що, по-перше, ця величина має тенденцію до зменшення для сонячної енергетики та до зростання для традиційної енергетики, а по-друге, сонячна енергетика може успішно конкурувати з традиційною в тих випадках, коли споживання енергії порівняно невелике, а підвести електроенергію від загальної електромережі дорого або зовсім неможливо. У цих випадках на перший план виступає не вартість електроенергії, а цінність або необхідність тих функцій, які здійснюються за рахунок електроенергії. Крім того, термін роботи сонячних елементів практично необмежений і може складати десятки років.
Нині українські науковці пропонують низку конструктивних рішень для підвищення ефективності перетворення сонячної енергії. Серед них: використання рельєфної поверхні батарей, формування батарей із двосторонніми колекторами, використання оптичних концентраторів сонячних потоків. Чимало можуть дати технологічні вдосконалення й нові матеріали, зокрема широке використання тонких плівок кремнію на органічних, металічних, склоподібних підкладках. Перспективними є багатошарові структури напівпровідників зі змінною шириною забороненої території. Нарешті, сонячні елементи з використанням органічних матеріалів уже зараз дають ККД до 7-10%. Проте найважливішою й найцікавішою для дослідників є перспектива масової появи сонячних батарей третього покоління, які використовують принципово нові фізичні принципи роботи. Це — батареї на основі квантових надграток. За оцінками експертів, ці елементи третього покоління уже в 30-річній перспективі дозволять виробити батареї з надзвичайно високим ККД (до 80%) і з помірною ціною в 100 євро за кв. м. Це дасть змогу отримувати промислову електроенергію за ціною в 0,03 євро за кіловат-годину — меншою, аніж на традиційних теплових чи атомних електростанціях. Звичайно, так станеться, якщо буде надано масштабну державну підтримку на промислове виробництво та наукові пошуки.
Таким чином, застосування в Україні альтернативних джерел енергії, в першу чергу сонячної енергетики, без сумніву, дасть користь. Економіка України має відповідні потужності з виробництва необхідних компонентів та створення інфраструктури такої енергетики..
Основні напрямки діяльності :
- автономні системи для побутових і промислових об’єктів, які віддалені від традиційних систем енергопостачання;
- системи безперебійного енергопостачання;
- вуличні, садові ліхтарі, та iншi cистеми які працюють на сонячній енергії.
Не можна не згадати про переваги використання сонячної енергії: екологічна чистота, надійність та можливість довготривалої експлуатації, безпека (наявність автоматичного захисту від короткого замикання, перегріву, перевантажень приладів; перерозряджування акумуляторів), простота монтування та розбирання, стійкість до впливу природних факторів.
Сонячна система енергопостачання складається з:
- фотоелектричного сонячного модуля;
- контролера заряду;
- акумуляторів.
Наболіле питання освітлення міських вулиць, парків, скверів Одеси (і багатьох інших міст України) можна вирішити, не докладаючи великих зусиль. Фотоелектричні вуличні ліхтарі є ідеальною розробкою саме такого спрямування. Невеликі за розмірами, чудового дизайну фотоелектричні ліхтарі складаються з фотоелектричного генератора, батареї, регулятора, освітлювального блоку.
Фотоелемент виконує функцію перетворення енергії Сонця в електроенергію. А оскільки генератор вбудовано безпосередньо у вуличний ліхтар, то нема потреби в зовнішніх кабелях, в колективних джерелах живлення. Таким чином, ліхтар може бути встановлений в будь-якому місці. Батарея акумулює енергію, яку виробляє сонячний генератор протягом дня, і віддає її вночі, навіть після кількох похмурих днів. Регулятор контролює оптимальне функціонування установки загалом, запобігаючи перезарядкам чи надлишковим заряуванням батареї, подає сигнал ввімкнення і вимкнення освітлювальному блоку в час, коли це необхідно. Освітлювальний блок має велику світлову віддачу і ощадне споживання. Низький рівень енергоспоживання – одна із суттєвих переваг освітлювального блоку.
Все обладнання спроектовано компактно і може бути використане для встановлення на стандартні стовпи, що запобігає актам вандалізму. А попри все це – ще й найсучасніший дизайн тішитиме око перехожих.
Що ж до участі держави у вирішенні питання сонячного енергопостачання, то, на превеликий жаль, законодавством не передбачається загальнодержавна політика в цьому напрямку, як то є, наприклад, в Німеччині(програма «100 000 сонячних дахiв»).
Але сам факт порушення питання альтернативної, екологічно чистої енергетики на державному рівні додає оптимізму і наснаги тим, хто працює над проблемами альтернативного енергозабезпечення.
АЛЬТЕРНАТИВНІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ.
ЕНЕРГІЯ ВІТРУ
У пошуках альтернативних джерел енергії в багатьох країнах чимало уваги приділяють вітроенергетиці. Вітер служив людству протягом тисячоліть, забезпечуючи енергію для вітрильних суден, для розмелу зерна і перекачування води. В даний час головне місце займає виробництво електроенергії. Уже сьогодні в Данії вітроенергетика покриває близько 2% потреб країни в електроенергії. У США на декількох станціях працює близько 17 тисяч вітроагрегатів загальною потужністю до 1500 Мвт. Вітроенергетичні пристрої випускаються не тільки в США і Данії, але і Великій Британії, Канаді, Японії і деяких інших країнах.
Для того, щоб будівництво вітроелектростанції виявилося економічно виправданим, необхідно, щоб середньорічна швидкість вітру в даному районі складала не менш 6 метрів за секунду. У нашій країні вітряки можна будувати на узбережжях Чорного і Азовського морів, у степових районах, а також у горах Криму і Карпат. У нинішню епоху високих цін на паливо можна вважати, що вітродвигуни виявляться конкурентноздатними по вартості і зможуть брати участь у задоволенні енергетичних потреб країни.
Треба звернути увагу на те, що при швидкості вітру 33 км/год. подовження крила пропелера в 4 рази (з 15 до 60 м) збільшує виробництво енергії в 16 разів. Відмітимо також, що при довжині крила 30 м вітер зі швидкістю 50 кілометрів за годину забезпечує виробництво електроенергії у 26 разів більше, ніж вітер зі швидкістю 17 кілометрів за годину. Саме тому інженери схиляються на користь великих вітродвигунів і прагнуть перехопити вітер на великій висоті.
Більшість великих вітродвигунів, що споруджуються зараз чи уже діючих, розраховано на роботу при швидкостях вітру 17-58 кілометрів за годину. Вітер зі швидкістю менше 17 кілометрів за годину дає мало корисної енергії, а при швидкостях більш 58 кілометрів за годину можливе пошкодження двигуна.
Вітродвигуни не слід розраховувати на перехоплення штормових вітрів. Навіть якщо такий вітер забезпечує одержання набагато більше енергії, ніж слабкі вітри, він робить настільки сильний тиск на крила, що вся машина може бути зруйнована. Крім того, тривалість часу, коли дмуть штормові вітри, настільки мала, що внесок штормових вітрів у сумарне виробництво енергії незначний, і це робить подібний ризик безглуздим. Щоб усунути проблему штормових вітрів, крила вітродвигунів згинають так, щоб вони були злегка повернені в одну сторону для зменшення напору вітру; завдяки цьому повні удари сильних поривів не ушкоджують пропелер. Ця стара практика відома як «оперення». Щоб запобігти поломці крил, застосовують також нові матеріали, здатні протистояти великим навантаженням.
Інші проблеми в конструкції вітродвигунів обумовлені просто природою системи, необхідної для перехоплення енергії вітру. Двигуни звичайно встановлюють на високих вежах, щоб пропелери були відкриті більш сильним вітрам, що дмуть на великій висоті. Ближче до поверхні землі будинки, дерева, невеликі пагорби і т. п. стримують і послабляють вітер. Тому потрібні високі щогли. Однак важке устаткування - пропелер, коробка передач і генератор - повинні розміщатися на верхівці щогли, і це вимагає міцної конструкції.
Ще одну проблему використання енергії від вітродвигуна створює природа самого вітру. Швидкість вітру варіює в широких межах - від легкого подиху до могутніх поривів; у зв'язку з цим міняється і число обертів генератора за секунду. Для усунення цього перемінний струм, що виробляється при обертанні осі генератора, випрямляють, тобто перетворюють у постійний, що йде в одному напрямку. При великих розмірах вітродвигуна цей постійний струм надходить в електронний перетворювач, що робить стабільний перемінний струм, придатний для подачі в енергетичну систему. Невеликі вітродвигуни на кшталт тих, що використовують на ізольованих фермах чи на морських островах, подають випрямлений струм у великі акумуляторні батареї замість перетворювача. Акумуляторні батареї необхідні для запасання електроенергії на періоди, коли вітер занадто слабшає для виробництва енергії.
Більш важка проблема регулювання всієї системи електростанцій. Тут бувають періоди, коли генератори виробляють мало енергії чи зовсім її не виробляють. У такий час необхідно десь збільшити вироблення струму звичайною електростанцією, щоб покрити потреби в ньому.
ПРОБЛЕМИ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА
Чи викликає вітрова енергетика забруднення повітря? Ні. Чи вимагає вона води для охолодження і чи не викликає теплового забруднення? Ні. Чи споживає вона паливо? Ні. Але вона робить шум, вимагає земельної площі і матеріалів для конструкцій. Вона також робить візуальний вплив, але опори ліній далекої електропередачі мають висоту, близьку до висоти самого вітродвигуна з числа нині розроблювальних, а градирні теплових електростанцій бувають ще вище.
Є ще один вид впливу вітрової енергетики. Генератори великих вітродвигунів обертаються зі швидкістю близько 30 обертів за секунду. Це близько до частоти синхронізації телебачення. Тому великі вітродвигуни можуть заважати прийому передач на відстані до 1,6 км. При використанні крил пропелера зі скловолокна, що виявилися дешевше металевих, відстань перешкод зменшується приблизно вдвічі. Але так справа обстоїть лише з великими вітродвигунами, і можна чекати, що це не буде проблемою для менших двигунів.
Пропелери вітродвигунів можуть убити птахів, але важко передбачити, у яких масштабах це буде відбуватися. Безсумнівно, якийсь збиток навколишньому середовищу може наноситися також видобутком руди, виготовленням акумуляторних батарей і набагато більшою кількістю дротів і ліній передач, необхідних для збору електроенергії від її численних джерел. Але в цілому, якщо ми врахуємо усі витрати на охорону середовища, вони виявляться дуже малими. Отже, огляд різних альтернативних джерел енергії показує, що на порозі широкомасштабного промислового впровадження знаходяться вітротурбіни і сонячні батареї. Якщо додати до цього енергозбереження, є надія на вирішення енергетичних проблем, що встають; таким чином, будівництво нових атомних і теплових електростанцій зовсім не обов'язково. Однак їх прийдеться ще якийсь час зберегти в якості резервних для стабільного енергозабезпечення. Що ж стосується віддаленого майбутнього, то в першу чергу варто розробляти системи запасання енергії, вироблюваною сонячними і вітровими станціями.
З погляду навколишнього середовища і стійкого розвитку ці альтернативні джерела електрики цілком надійні. На жаль, вони ніяк не вирішують проблему скорочення запасів сирої нафти, що як і раніше необхідна для транспорту.
Енергія води
Енергія річок.
Багато тисячоліть вірно служить людині енергія води. Запаси її на Землі колосальні. Недаремно деякі учені вважають, що нашу планету правильніше було б називати не Земля, а Вода - адже близько трьох чвертей поверхні планети покрито водою. Величезним акумулятором енергії служить Світовий океан, що поглинає велику її частину, що поступає від Сонця. Тут відбуваються приливи і відливи, виникають могутні океанські течії. Народжуються могутні річки, що несуть величезні маси води в моря і океани. Зрозуміло, що людство у пошуках енергії не могло пройти мимо таких гігантських її запасів. Раніше всього люди навчилися використовувати енергію річок.
Вода була першим джерелом енергії, і, ймовірно, першою машиною, в якій людина використовувала енергію води, була примітивна водяна турбіна. Понад 2000 років тому горці на Ближньому Сході вже користувалися водяним колесом у вигляді валу з лопатками. Суть пристрою зводилася до наступного. Потік води, відведений із струмка або річки, тисне на лопатки, передаючи їм свою кінетичну енергію. Лопатки приходять в рух, а оскільки вони жорстко скріпляють з валом, вал обертається. З ним у свою чергу скріпляє млинове жорно, яке разом з валом обертається по відношенню до нерухомого нижнього жорна. Саме так працювали перші “механізовані” млини для зерна. Але їх споруджували тільки в гірських районах, де є річки і струмки з великим перепадом і сильним натиском. На поволі поточних потоках водяні колеса з горизонтально розміщеними лопатками малоефективні.
У сучасній гідроелектростанції маса води з великою швидкістю спрямовується на лопатки турбін. Вода із-за дамби тече - через захисну сітку і регульований затвор - по сталевому трубопроводу до турбіни, над якою встановлений генератор. Механічна енергія води за допомогою турбіни передається генераторам і в них перетвориться в електричну. Після здійснення роботи вода стікає в річку через тунель, що поступово розширюється, втрачаючи при цьому свою швидкість.
Гідроелектростанції класифікуються по потужності на дрібних (зі встановленою електричною потужністю до 0,2 Мвт), малих (до 2 Мвт), середніх (до 20 Мвт) і великих (понад 20 Мвт). Другий критерій, по якому розділяються гідроелектростанції, - натиск. Розрізняють низьконапірні (натиск до 10 м), середнього натиску (до 100 м) і високонапірні (понад 100 м). У окремих випадках дамби високонапірних ГЕС досягають висоти 240 м. Такі дамби зосереджують перед турбінами водну енергію, накопичуючи воду і піднімаючи її рівень.
Турбіна - енергетично дуже вигідна машина, тому що вода легко і просто міняє поступальну ходу на обертальну. Той же принцип часто використовують і в машинах, які зовні зовсім не схожі на водяне колесо (якщо на лопатки впливає пара, то мова йде про паровій турбіні).
Переваги гідроелектростанцій очевидні - постійно поновлюваний самою природою запас енергії, простота експлуатації, відсутність забруднення навколишнього середовища. Проте споруда дамби крупної гідроелектростанції виявилася завданням куди складнішою, ніж споруда невеликої. Щоб привести в обертання могутні гідротурбіни, потрібно накопичити за дамбою величезний запас води. Для споруди дамби потрібно укласти таку кількість матеріалів, що об'єм гігантських єгипетських пірамід в порівнянні з ним покажеться нікчемним.
Але поки людям служить лише невелика частина гідроенергетичного потенціалу землі. Щорічно величезні потоки води, що утворилися від дощів і танення снігів, стікають в моря невикористаними. Якби вдалося затримати їх за допомогою дамб, людство отримало б додатково колосальну кількість енергії.
Енергія світового океану
Різке збільшення цін на паливо, труднощі з його отриманому, повідомлення про виснаження паливних ресурсів - всі ці видимі ознаки енергетичної кризи викликали останніми роками в багатьох країнах значний інтерес до нових джерел енергії, зокрема до енергії Світового океану.
Теплова енергія океану
Відомо, що запаси енергії в Світовому океані колосальні, адже дві третини земної поверхні (361 млн. км2) займають моря і океани - акваторія Тихого океану складає 180 млн. км2. Атлантичного - 93 млн. км2, Індійського, - 75 млн. км2.
Останні десятиліття характеризується певними успіхами у використанні теплової енергії океану. Так, створені установки міні-ОТЕС і ОТЕС-1 (ОТЕС - початкові букви англійських слів Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, тобто перетворення теплової енергії океану - мова йде про перетворенні в електричну енергію). У серпні 1979 р. поблизу Гавайських островів почала працювати теплоенергетична установка міні-ОТЕС. Пробна експлуатація установки протягом трьох з половиною місяців показала її достатню надійність. При безперервній цілодобовій роботі не було зривів, якщо але вважати дрібних технічних неполадок, що зазвичай виникають при випробуваннях будь-яких нових установок. Її повна потужність складала в середньому 48,7 кВт, максимальна -53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка віддавала в зовнішню мережу на корисне навантаження, точніше - на зарядку акумуляторів. Решта потужності, що виробляється, витрачалася на власні потреби установки. До їх числа входять витрати анергії на роботу трьох насосів, втрати в двох теплообмінниках, турбіні і в генераторі електричної енергії.
Три насоси було потрібно з наступного розрахунку: один - для подачі теплою види з океану, другий - для підкачки холодної води з глибини близько 700м, третій - для перекачування вторинної робочої рідини усередині самої системи, тобто з конденсатора у випарник. Як вторинна робочий рідини застосовується аміак.
Вперше в історії техніки установка міні-ОТЕС змогла віддати в зовнішнє навантаження корисну потужність, одночасно покривши і власні потреби. Досвід, отриманий при експлуатації міні-ОТЕС, дозволив швидко приступити до проектування ще могутніших систем подібного типу.
Енергія приливів і відливів.
Століттями люди роздумували над причиною морських приливів і відливів. Сьогодні ми достовірно знаємо, що могутнє природне явище - ритмічний рух морських вод викликають сили тяжіння Місяця і Сонця. У морських просторах приливи чергуються з відливами теоретично через 6 год. 12 хв. 30 с. Якщо Місяць, Сонце і Земля знаходяться на одній прямій, Сонце своїм тяжінням підсилює дію Місяця, і тоді наступає сильний прилив. Коли ж Сонце стоїть під прямим кутом до відрізка Земля-Місяць (квадратура), наступає слабкий прилив (квадратура, або мала вода). Сильний і слабкий приливи чергуються через сім днів.
Проте дійсний хід приливу і відливу вельми складний. На нього впливають особливості руху небесних тіл, характер берегової лінії, глибина води, морські течії і вітер.
Найвищі і сильніші приливні хвилі виникають в дрібних і вузьких затоках або гирлах річок, що впадають в моря і океани. Приливна хвиля Індійського океану котиться проти перебігу Гангу на відстань 250 км. від його гирла. Приливна хвиля Атлантичного океану розповсюджується на 900 км. вгору по Амазонки. У закритих морях, наприклад Чорному або Середземному, виникають малі приливні хвилі заввишки 50-70 див. Потужність електростанцій в деяких місцях могла б скласти 2-20 Мвт.
Перша морська приливна електростанція потужністю 635 кВт була побудована в 1913 р. в бухті Ліверпуля.
Енергія морських течій
Невичерпні запаси кінетичної енергії морських течій, накопичені в океанах і морях, можна перетворювати на механічну і електричну енергію за допомогою турбін, занурених у воду (подібно до вітряних млинів, “занурених” в атмосферу).
Найважливіша і найвідоміша морська течія - Гольфстрім.
В даний час у ряді країн, і в першу чергу в Англії, ведуться інтенсивні роботи по використанню енергії морських хвиль. Британські острови мають дуже довгу берегову лінію, до в багатьох місцях море залишається бурхливим протягом тривалого часу.
Один з проектів використання морських хвиль заснований на принципі водяного стовпа, що коливається. У гігантських “коробах” без дна і з отворами вгорі під впливом хвиль рівень води то піднімається, то опускається. Стовп води діє на зразок поршня: засмоктує повітря і нагнітає його в лопатки турбін. Головну трудність тут складає узгодження інерції робочих коліс турбін з кількістю повітря в коробах, так щоб за рахунок інерції зберігалася постійною швидкість обертання турбінних валів в широкому діапазоні умов на поверхні моря.
Домашнее задание
Написать рассказ на тему «Значение энергии в жизни человека».
