Какое природное явление позволяет добывать чистую электроэнергию

3+ разные типы электростанций, которые вырабатывают для нас электроэнергию

Электричество — жизненная основа современного мира. Всё, от часов до автомобилей, теперь работает на электричестве. Чтобы выразить нашу зависимость от электричества в цифрах, мы видим, что в 2008 году потребление электроэнергии в США составляло 2989 ТВт-ч (тера-ватт-часов). Перейдя к 2019 году, мы видим, что оно увеличилось до 3971 ТВтч. ТВтч равно 1 000 000 000 кВт-ч.

Просто поразительно видеть, насколько мы теперь зависим от электричества в нашей повседневной жизни. Но откуда вся эта энергия? Ответ — электростанции. Они производят электричество для всего мира. В мире существуют различные типы электростанций, которые работают вместе, чтобы удовлетворить растущую потребность в электроэнергии. Давайте подробно узнаем, как работают эти электростанции.

1. Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции являются одними из самых эффективных и экологически чистых электростанций. На гидроэлектростанции электричество вырабатывается от воды. Если поподробнее, потенциальная энергия воды преобразуется в электрическую энергию. Когда вода падает с высоты на турбины, она вращает якорь, соединенный с генератором. Когда турбина вращается, генератор начинает вырабатывать электричество. Затем это электричество направляется на все подстанции для распределения электроэнергии. Крупнейшая в мире электростанция — это гидроэлектростанция, которая называется Три ущелья. Плотина создает поразительные 22 500 МВт энергии. Она достигает это, используя 34 генератора энергии. Плотина настолько велика, что после ее строительства она в одиночку замедлила вращение Земли.

Одним из преимуществ гидроэлектростанции является то, что в процессе производства энергии не образуются отходы.

2. Атомные электростанции

Атомные электростанции также возглавляют список электростанций, которые могут производить огромное количество энергии. Атомная электростанция работает путем преобразования ядерной энергии в электричество. Тепло от ядерного реактора используется для превращения воды в пар. Пар под давлением затем используется для вращения турбин, соединенных с генератором. В отличие от электростанций, работающих на угле или природном газе, атомная электростанция не должна сжигать что-либо для производства тепла. Весь процесс приведен в действие ядерным делением. Низкообогащенные урановые гранулы загружаются в атомную электростанцию. Затем атом урана расщепляется, создавая ядерное деление. Этот процесс высвобождает огромное количество энергии. Преимущество атомной электростанции заключается в том, что им не нужно сжигать что-либо для производства энергии. Следовательно, выброс углерода от атомной электростанции очень низок. Недостатками атомной электростанции являются ядерные отходы, которые она создает, и высокая стоимость ее строительства. Ядерная энергия составляет более 10% мировых потребностей в энергии. Крупнейшая атомная электростанция в мире — Касивадзаки-Карива, расположенная в Японии. Она способна вырабатывать 7 965 МВт энергии с использованием семи кипящих реакторов.

3. Угольные электростанции

Первые две электростанции, которые мы обсуждали, имеют низкий углеродный отпечаток. Угольные электростанции — полная противоположность. У них большой углеродный след, но на угольные электростанции приходится почти 40% мировых потребностей в энергии. Угольные электростанции сжигают уголь для превращения воды в пар. Этот пар затем используется для вращения турбин, которые вырабатывают электричество с помощью генератора. Угольная электростанция мощностью 1000 МВт сжигает 9000 тонн угля в сутки. Этот процесс выделяет очень большое количество загрязняющих веществ в воздух. Если посмотреть на потребление угля для производства электроэнергии, ни одна страна не стоит и близко рядом с Китаем. Восемь из одиннадцати мощностей (более 5 ГВт) находятся в Китае. Кроме того, Китай является крупнейшим источником выбросов CO2 в мире! Электростанция Datang Tuoketuo — крупнейшая в мире теплоэлектростанция мощностью 6,7 ГВт. Этот угольный завод использует более 21 миллиона тонн угля в год для удовлетворения энергетических потребностей Китая. Угольные электростанции подпадают под категорию тепловых электростанций. Дизельные и работающие на природном газе электростанции — это два других типа тепловых электростанций, которые обычно используются для выработки электроэнергии.

Электростанции зеленой энергетики

Благодаря достижениям в области производства энергии мы теперь имеем больше, чем просто тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Их называют нетрадиционными электростанциями. Эти электростанции способны производить чистую энергию (или зеленую энергию). Давайте узнаем, что это!

Солнечные электростанции: солнечные электростанции используют энергию солнца для производства электроэнергии. Солнечные панели захватывают солнечный свет с помощью фотоэлектрических элементов и преобразуют его в электричество. Сегодня все большее число стран обращают внимание на солнечную энергию, чтобы компенсировать свою зависимость от ископаемого топлива. Tengger Desert Solar Park в настоящее время является крупнейшей в мире солнечной электростанцией по мощности. Она способна производить 1547 МВт энергии.

Ветряные электростанции: ветряные электростанции преобразуют энергию ветра в электрическую энергию с помощью ветряных турбин. Они также очень эффективны при производстве чистой энергии. Скопление ветряных мельниц охватывает территорию, называемую ветряной электростанцией. Ветряная электростанция Ганьсу в Китае, строительство которой завершится в 2020 году, считается самой большой ветряной электростанцией в мире.

Геотермальная электростанция: Геотермальные электростанции похожи на паротурбинные электростанции, которые мы обсуждали ранее. Однако вместо сжигания ископаемого топлива геотермальные электростанции используют тепло от ядра земли для создания пара. Крупнейшая геотермальная электростанция — Комплекс Гейзеров, расположенный в США. Она способна производить 1520 МВт энергии. Самое большое ограничение геотермальной энергии состоит в том, что есть только несколько мест на земле, где она может быть установлена. Также стоимость бурения и строительства станции может быть довольно дорогой.

Приливная электростанция: Приливные электростанции используют приливные заборы или приливные заграждения, чтобы использовать силу приливов. Коэффициенты строительства приливных электростанций довольно низкие, поскольку существуют некоторые критические ограничения для реализации приливных электростанций.

Вывод

На протяжении многих лет мы наблюдаем постоянное снижение спроса на энергию во всем мире. И, двигаясь вперед, нет никаких признаков того, что эта тенденция замедлится в ближайшее время! Ежегодный рост уровня загрязнения является свидетельством нашей тревожной скорости потребления ископаемого топлива. Однако мы можем отойти от источников энергии с высоким содержанием углерода, таких как ископаемое топливо, и использовать возобновляемые источники энергии. Различные компании и страны приложили огромные усилия для того, чтобы это видение стало реальностью. В ближайшие годы мы надеемся увидеть больше электростанций, работающих на экологически чистой энергии, чем заводов по производству CO2.

Нетрадиционные источники энергии и их влияние на окружающую среду

Использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождается образованием многих загрязнителей воды и воздуха. Перечень таких загрязнителей удивительно длинен, а их количества чрезвычайно огромны. Вполне естественно возникает вопрос, всегда ли использование энергии и производство электроэнергии должно сопровождаться разрушением окружающей среды. И если правда, что любой вид человеческой деятельности неизбежно оказывает вредное воздействие на природу, то степень этого вреда различна. Мы не можем не влиять на среду, в которой живем, поскольку для поддержания жизненных процессов как таковых необходимо поглощать и использовать энергию.

Использование любого вида энергии и производство электроэнергии сопровождается образованием многих загрязнителей воды и воздуха. Перечень таких загрязнителей удивительно длинен, а их количества чрезвычайно огромны. Вполне естественно возникает вопрос, всегда ли использование энергии и производство электроэнергии должно сопровождаться разрушением окружающей среды. И если правда, что любой вид человеческой деятельности неизбежно оказывает вредное воздействие на природу, то степень этого вреда различна. Мы не можем не влиять на среду, в которой живем, поскольку для поддержания жизненных процессов как таковых необходимо поглощать и использовать энергию.

Человек, безусловно, оказывает влияние на окружающую его среду, однако в природе существуют естественные уравновешивающие механизмы, которые поддерживают среду и обитающие в ней сообщества в состоянии равновесия, когда все изменения происходят достаточно медленно. Тем не менее во многих случаях хозяйственная деятельность человека нарушает равновесие, создаваемое этими механизмами, что приводит к быстрым изменениям условий окружающей среды, с которыми ни человек, ни природа не могут успешно справиться. Традиционное производство энергии, дающее огромные количества загрязнителей воды и воздуха, — один из видов такой деятельности человека.

В моей работе я хочу рассмотреть получение электроэнергии за счет природных источников, таких, как падающая вода, ветер и энергия Солнца.

Эти способы получения электроэнергии представляются более мягкими в смысле воздействия на окружающую среду, чем сжигание ископаемого топлива или расщепления ядерного урана. Кроме того, все перечисленные выше источники энергии возобновляемы, т. е. практически они доступны всегда и везде.

Удивительно, что всего двести лет назад человечество помимо энергии самого человека и животных располагало только тремя видами энергии. И источником этих всех трех видов энергии было Солнце. Энергия ветра вращала крылья ветряных мельниц, на которых мололи зерно или ткали. Для того чтобы можно было воспользоваться энергией воды, необходимо, чтобы вода бежала вниз к морю от вышерасположенного истока, где река наполняется за счет выпадающих дождей.

За последнее десятилетие интерес к этим источникам энергии постоянно возрастает, поскольку во многих отношениях они неограниченны. По мере того как поставки топлива становятся менее надежными и более дорогостоящими, эти источники становятся все более привлекательными и более экономичными. Повышение цен на нефть и газ послужило главной причиной того, что мы вновь обратили свое внимание на воду, ветер и Солнце.

Солнечная энергия – это кинетическая энергия излучения (в основном света), образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку её запасы практически неистощимы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще несколько миллионов лет), ее относят к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах лишь небольшая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, содержащимся в листьях растений, и используется для фотосинтеза, т. е. образования органического вещества из углекислого газа и воды. Таким образом, она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем.

Посчитано, что примерно такого же процента солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, вне зависимости от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится.

Однако солнечная энергия падает на всю поверхность Земли, нигде не достигая особой интенсивности. Потому ее нужно уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и превратить в такую форму, которую можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных нужд. Кроме того надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью, и пасмурные дни. Перечисленные трудности и затраты, необходимые для преодоления, привели к мнению о непрактичности этого энергоресурса по крайней мере сегодня. Однако во многих случаях проблема преувеличивается. Главное – использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. По мере совершенствования технологий и дорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет находить все новые области применения.

Световое излучение можно улавливать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это называется прямым использованием солнечной энергии. Кроме того, она обеспечивает круговорот воды, циркуляцию воздуха и накопление органического вещества в биосфере. Значит, обращаясь к этим энергоресурсам, мы по сути дела занимаемся непрямым использованием солнечной энергии.

Центральные солнечные электростанции.

Энергетическая башня. Древняя легенда повествует, что Архимед спас свой родной город Сиракузы с помощью солнечной энергии. Приказав тысяче солдат повернуть свои щиты к солнцу и выстроив их в линию в форме параболы, Архимед сфокусировал отраженные солнечные лучи на парусах кораблей вторгшегося флота и сжег их. Это и есть принцип действия энергетической башни: лучи солнца концентрируются в одном пункте соответственно расположенными зеркалами. Эти зеркала (гелиостаты) поворачиваются на протяжении дня, чтобы следовать за солнцем в его небесном пути. Они отражают солнечные лучи и фокусируют их на энергетической башне, где огромная концентрация энергии заставляет воду кипеть и превращаться в пар. Пар по трубам поступает в турбину на Землю, вращает ее и вырабатывает электричество.

На Крымском побережье Азовского моря построена солнечная электростанция (СЭС — 5) Мощность этой электростанции – 5000 квт.

СЭС–5 предназначена главным образом для проведения экспериментов, направленных на отработку и усовершенствование систем и режимов эксплуатации крупных СЭС башенного типа с целью разработки новой надежной, эффективной технологии. Вместе с тем, СЭС-5 вырабатывает электроэнергию и выдает ее в Крымскую энергосистему.

Ученые считают, что мощные солнечные электростанции по своей экономичности смогут стать в один ряд с современными тепловыми и атомными электростанциями.

Солнечные пруды. Солнечные пруды – еще более дешевый способ улавливать солнечную энергию. Искусственный водоем частично заполняется рассолом (очень соленой водой), поверх которого находится пресная вода. Плотность рассола гораздо выше, поэтому он остается на дне и с верхним слоем почти не смешивается. Солнечные лучи без помех проходят через пресную воду, но поглощаются рассолом, превращаясь при этом в тепло. Верхний слой действует как изоляция, не позволяя нижнему остывать. Иными словами, в солнечных прудах используется тот же принцип, что и в парниках, только земля и стекло заменены соответственно рассолом и пресной водой. Горячий раствор соли может циркулировать по трубам, отапливая помещения, или использоваться для выработки электричества; им нагревают жидкости с низкой точкой кипения, которые, испаряясь, приводит в движение турбогенераторы низкого давления. Поскольку солнечный пруд представляет собой высокоэффективный теплоаккумулятор, с его помощью можно получать энергию непрерывно.

К недостаткам всех перечисленных установок преобразования солнечной энергии относится то, что для них нужны большие площади, причем относительно недалеко (в пределах 80 км) от потребителя. Иначе потери при передаче электроэнергии будут недопустимо высоки. Правда, со временем могут появиться сверхпроводящие линии электропередач, которые решат проблему, однако в ближайшем будущем строительство энергобашен и солнечных прудов ограничивается недостатком вблизи крупных городов достаточно обширных свободных территорий. С другой стороны, солнечные батареи можно размещать на крышах зданий.

Перспективы солнечной энергетики.

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

Поскольку солнечное излучение – движущая сила круговорота воды в природе, энергия воды, или гидроэнергия, также относится к преобразованной энергии Солнца. Вода, которую еще в древности использовали для совершения механической работы, до сих пор остается хорошим источником энергии – теперь уже электрической – для нашей промышленной цивилизации. Энергия падающей воды, вращающей водяное колесо, служила непосредственно для размола зерна, распиливания древесины и производства тканей. Однако мельницы и лесопилки на наших реках стали исчезать, когда в восьмидесятых годах позапрошлого века началось производство электроэнергии у водопадов.

Производство электроэнергии на гидростанциях обычного типа.

Вода из водохранилища поступает вниз через длинный прямой канал, называемый напорным трубопроводом, и направляется на горизонтально вращающиеся лопасти турбины. Вертикальный вал турбины соединен с блоком генератора. На типичной станции используется много турбинно-генераторных агрегатов. Коэффициент полезного действия нередко составляет около 60-70%, т. е. 60-70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.

Сооружение гидростанций обходится дорого, и они требуют эксплутационных расходов, но зато работают на бесплатном «топливе», которому не грозит никакая инфляция. Первоисточником энергии служит солнце, испаряющее воду из океанов, озер и рек. Водяной пар конденсируется в виде дождя, выпадающего в возвышенных местностях и стекающего вниз в моря. Гидростанции встают на пути этого стока и перехватывают энергию движущейся воды – энергию, которая иначе была бы израсходована на перенос отложений к морю.

Однако гидроэнергетика не безвредна для окружающей среды. Когда течение реки замедляется, как это обычно и бывает при попадании ее вод в водохранилище, взвешенный осадок начинает опускаться на дно. Ниже водохранилища чистая вода, попавшая в реку, гораздо быстрее размывает речные берега, как бы восстанавливая тот объем осадков, который был утрачен в водохранилище. Усиление эрозии берегов ниже по течению от водохранилища – обычное явление.

Дно водохранилища покрывается осадками, принесенными из регионов, расположенных выше по течению. Этот слой осадков периодически выступает на поверхность или затопляется вновь, когда уровень водохранилища поднимается и падает в результате притока или сброса воды. Постепенно осадков накапливается столько, что если их регулярно не вычерпывать, то они начинают занимать часть полезного объема водохранилища. Это означает, что водохранилище, сооруженное для хранения запасов воды или контроля за наводнениями, постепенно утрачивает свою эффективность, если не очищать его от накапливающихся твердых осадков.

Накопление слишком большого количества осадков в водохранилище можно частично предотвратить. Эрозия и перенос осадков представляют собой естественные и непрерывные процессы, однако сельскохозяйственные работы, прокладка дорог строительство домов и вырубка лесов – все это ускоряет эрозионные процессы, обнажая почву. Тщательный контроль за состоянием почвы способствует уменьшению количества обломочного материала, уносимого потоками, и тем самым предотвращает быстрое накопление осадка в водохранилищах.

Невидимые до поры груды осадков, которые становятся видимыми лишь во время низкого стояния воды в водохранилище, — не единственная причина, по которой многие выступают против строительства плотин. Существует и другая, более важная причина: после заполнения водохранилища под водой оказываются ценные земли, которые утрачиваются навсегда. Исчезают также ценные животные и растения, причем это не только сухопутные виды; рыбы, населяющие перегороженную плотиной реку, тоже могут исчезнуть, поскольку плотина преграждает путь к местам нереста.

Существует и иные аспекты, связанные со строительством водохранилищ. В определенные периоды времени в году качество воды в водохранилище и качество воды, выпускаемой из него, может быть на редкость низким. В течение лета и осени нижние слои воды в водохранилище могут стать очень бедными кислородом. Недостаток кислорода обусловлен сочетанием двух процессов. Во-первых, неполным перемешиванием воды в водохранилище в течение лета и ранней осени. Во-вторых, бактериальным разложением отмерших растений в донных слоях водохранилища, что требует большого количества кислорода. Если эта бедная кислородом вода выпускается из водохранилища, то наносится ущерб рыбе и другим водным организмам ниже по течению.

Чтобы создать преимущество более высокой водной поверхности или более равномерного стока, фактически нет необходимости строить плотину на свободно текущей реке. Частично отводя воду верхнего течения, можно создать искусственное озеро и в стороне от реки. Такое озеро обладает преимуществом как высоты напора, так и постоянно доступного водного резерва.

В приливах и отливах, сменяющих друг друга дважды в день, также заключена огромная энергия.

Приливы – это результат гравитационного притяжения больших масс воды океанов со стороны Луны и, в меньшей степени, Солнца. При вращении Земли часть воды океана поднимается и некоторое время удерживается в этом положении гравитационным притяжением. Когда «горб» подъема воды достигает суши, как это должно происходить вследствие вращения Земли, наступает прилив. Дальнейшее вращение Земли ослабляет воздействие Луны на эту часть океана, и прилив спадает. Приливы и отливы повторяются дважды в сутки, хотя их точное время изменяется в зависимости от сезона и положения Луны

Средняя высота прилива составляет всего лишь 0,5 м, за исключением тех случаев, когда водные массы перемещаются в относительно узких пределах. В таких случаях возникает волна, высота которой может в 10-20 раз превышать нормальную высоту приливного подъема. Каждый год наиболее высокие приливы случаются тогда, когда Луна и Солнце находятся почти на одной линии, так что суммарное гравитационное воздействие увеличивает объем перемещаемой океанской воды.

Работа приливной электростанции.

На реке построена плотина для задержки вод высокого прилива. Когда приливные воды отступают, задержанная плотиной вода выпускается в океан через грушевидные турбины под плотиной и вырабатывается электроэнергия. Однако можно вырабатывать электроэнергию как при отливе, так и при приливе.

Приливная волна задерживается позади плотины в результате открытия ряда донных затворов, что позволяет ей двигаться вверх по реке в направлении истока. Затворы закрывают тогда, когда прилив достигает наивысшего уровня, а затем, по мере отлива, воде, запертой за плотиной, позволяют стекать к морю через турбины. При низком уровне воды, т. е. при отливе, большая часть этой воды спускается. Когда приливные воды снова наступают, они оказываются перед закрытыми затворами, и уровень воды со стороны моря превышает ее уровень на стороне плотины, обращенной к суше. После того как будет достигнут достаточный напор, воде позволяют течь вверх по реке, проходя через турбины, и снова вырабатывать электричество. Таким образом, энергия вырабатывается за счет отлива, и за счет прилива.

На некоторых станциях применяется замечательная технология. В последней фазе прилива разница в уровнях воды в резервуаре за плотиной и в океане может составлять каких-нибудь два метра. В это время электроэнергия из какого-либо другого источника может быть использована для перекачивания океанской воды (с помощью турбин) в приливной бассейн. Вода накачивается на высоту лишь нескольких десятков сантиметров, поэтому не требуется много энергии. Когда приливная волна отступила, эта дополнительная вода падает с высоты 6 – 10 м, вырабатывая гораздо больше электроэнергии, чем ее было затрачено. Та же идея реализуется при отливе, но только в этом случае вода откачивается из приливного бассейна в океан. При этом уровень воды в бассейне падает ниже уровня воды в океане и поступающая приливная вода проходит большую дистанцию.

Из-за огромной стоимости этих сооружений правительства не расположены, вкладывать средства в приливную энергию. Такие станции стоят в 2,5 раза больше оценочной стоимости речной гидростанции с такой же средней выработкой энергии прежде всего из-за дополнительной стоимости защитных перемычек впереди и позади объекта. Но как только первоначальные инвестиции сделаны, выработка энергии уже не требует никакого топлива. Необходимо только техническое обслуживание системы, и поэтому стоимость энергии остается низкой.

Места, где приливы могли бы быть использованы для выработки электроэнергии, имеются во всем мире.

Помимо стоимости сооружения станции, у приливной энергии есть и другие отрицательные стороны. Если приливная станция находится далеко от ближайшего крупного центра использования энергии, потребуются длинные и дорогие линии электропередачи. С другой стороны, такая передача на большие расстояния становится все более обычной по мере создания новых и более эффективных линий.

И наконец, следует упомянуть еще одну отрицательную черту приливной энергии – то, что ее выработка непостоянна. Это легко понять, если на минуту задуматься о ее природе. При обычной эксплуатации приливной энергии электричество вырабатывается только в начале отлива, т. е. тогда, когда уровень воды, запасенной в бассейне, в достаточной мере превышает ее уровень в море. По мере снижения уровня воды в бассейне выработка электроэнергии уменьшается и около нижней точки отлива падает до нуля, поскольку разность уровней исчезает. Если приливная станция оборудована реверсивными турбинами, то энергия может вырабатываться и за счет наступающего прилива, но только после того, как уровень прилива превысит в достаточной мере уровень воды позади плотины. Когда прилив достигает максимальной высоты, выработка энергии снова приближается к нулю. Таким образом, кривая выработки энергии снова приближается и падает дважды с сутки в соответствии с двумя приливными циклами.

Эта циклическая выработка энергии вряд ли будет соответствовать суточным потребностям в ней. Пиковая потребность и пиковая выработка могут иногда совпадать, так как часы обоих приливов сдвигаются по мере смены времен года, но чаще всего такого совпадения не будет. Поэтому поступление энергии в сеть должно каким-то образом регулироваться. Это означает, что выработка энергии другими, центральными, станциями должна обычно снижаться, когда темп приливной выработки достигает максимума, и возрастать, когда он падает. Фактически энергия от приливной электростанции достаточно регулярно замещает энергию, вырабатываемую с помощью других средств. Если замещается энергия, вырабатываемая станцией на угольном топливе, то экономится уголь.

Биологические и физические последствия постройки приливных электростанций.

Физические последствия. Когда мы смотрим на приливы с их устрашающей энергией, нам следует подумать о воздействии на окружающую среду приливных бассейнов. Сосредоточимся на физических изменениях, которые могут произойти с морской стороны приливной электростанции

Амплитуда прилива может увеличиваться всего лишь на 30 см, но даже такое небольшое изменение чревато серьезными последствиями. Поступающие приливные воды могут подняться на 15 см, а это способно привести к вторжению морской воды в прибрежные колодцы и создать угрозу для строений, расположенных вблизи верхней отметки прилива. Возможно ускорение береговой эрозии, а низинные участки, включая дороги, будут затопляться, когда штормы и увеличившиеся приливы объединят усилия. Береговая полоса будет практически непригодна для использования из-за более высоких приливов. Оценки площади береговой полосы, которая может быть потеряна из-за приливного затопления, колеблются от 17 до 40 квадратных километров. Конечно, местные потери зависят от крутизны склона и характера берега. Отлив, который может оказаться ниже на 15 см, способен затруднить доступ к лодкам и к воде с причалов. Увеличенная высота прилива может вызвать поступление более соленой воды в устья рек и этим изменить соотношение обитающих там водных организмов.

С увеличением амплитуды приливов возникнут усиленные приливные течения, на 5-10% более быстрые, что может привести к размыванию и переносу песчаных отмелей и к заполнению песком существующих судоходных русел, а в результате – к необходимости составления новых навигационных кар. Но в этом случае суда вскоре начнут застревать, по мере того как проходы будут изменяться из-за перемещения песка. Более быстрые течения затруднят обособление нефтяных пятен, но вместе с тем они же будут быстрее разгонять нефть.

Биологические последствия. Постройка крупной приливной электростанции может привести не только к местным биологическим последствиям. В бассейне позади приливной станции будет оказывать воздействие на важное биологическое пространство вдоль побережья океана. Эта полоса, называемая приливной зоной простирается от точки наивысшего прилива (или брызг от приливных волн) до нижней точки, обнажающейся при отливе. (Обе эти границы несколько смещаются со сменой времен года.)

В этой зоне биологические сообщества состоят, во-первых, из организмов, проводящих здесь свое время или большую часть его часть. На песчаных берегах обитают роющие сообщества, такие, как крабы, креветки, черви и некоторые двустворчатые моллюски, а на скалистых – организмы, прикрепленные к скалам (мидии, устрицы, морские желуди, крупные водоросли). В воде приливной зоны имеется еще один набор организмов — фитопланктон. Это диатомовые водоросли, перидинеи; они приносятся и уносятся с водой приливов.

Приливная энергия способна изменить относительный баланс между видами, составляющими сообщества приливной зоны. Нам совсем не ясно, как личиночные стадии морских видов смогут переносить проход через турбину. Больше того, возможно, что такие вредные организмы, как перидинеи, вызывающие «красный прилив» (такие приливы приводят к гибели рыбы и иногда делающих мясо моллюсков ядовитым для людей), окажутся в благоприятном положении, а размножение желательных видов, таких, как крабы или устрицы, может пострадать. Кроме того, мы не знаем неверное, что ускорится в результате постройки станций – эрозия или отложение осадочных материалов.

Появление приливной электростанции может не только повлиять на местные сообщества, но и причинить вред мигрирующим видам. Проход через турбины электростанции вряд ли принесет этим видам пользу. Для перекрытия входа могут быть использованы сетки, но годность лестничных рыбоходов в качестве обходного пути все еще остается под вопросом. Перелетные птицы, кормящиеся на соленых маршах, такие, как песочники и ржанки, вероятно, будут находить меньше пищи в приливном бассейна позади электростанции из-за гибели организмов при проходе через турбину. Всё это локальные последствия, но область их влияния может оказать более обширной.

Отдаленные биологические последствия при использовании приливной энергии будут обусловлены усилением приливных течений в результате увеличения амплитуды приливов. Более мощные приливные течения будут нарушать температурную стратификацию воды, перемешивая слои с разной температурой. Нижележащие холодные слои наиболее богаты питательными веществами, которые постепенно оседают на дно. Поэтому с более холодной водой в поверхностные слои будет поступать больше питательных веществ. Летняя температура воздуха и воды может понизиться в среднем на 1 градус, и вероятным следствием этого будет усиление туманов и морских ветров, а биологическая продуктивность, по-видимому, увеличится. Обилие водорослей и зоопланктона, скорее всего, возрастет, так же как и численность питающихся ими организмов, но мы недостаточно осведомлены, чтобы знать, каким конкретно видам это пойдет на пользу, а каким – во вред. Биологические неясности, связанные со строительством станций на приливной энергии, пока действительно очень велики.

В поисках альтернативных источников энергии во многих странах немалое влияние уделяют ветроэнергетике. Ветер служил человечеству на протяжении тысячелетий, обеспечивая энергию для парусных судов, для размола зерна и перекачивания воды. В настоящее время главное место занимает выработка электроэнергии. Уже сегодня в Дании ветроэнергетика покрывает около 2% потребностей страны в электроэнергии. В США на нескольких станциях работает около 17 тысяч ветроагрегатов общей мощностью до 1500 МВт. Ветроэнергетические устройства выпускаются не только в США и Дании, но и Великобритании, Канаде, Японии и некоторых других странах.

Для того чтобы строительство ветроэлектростанции оказалось экономически оправданным, необходимо, чтобы среднегодовая скорость ветра в данном районе составляла не менее 6 метров в секунду. В нашей стране ветряки можно строить на побережьях черного, Балтийского и Каспийского морей, в Нижнем Поволжье или на юге Западной Сибири, в Центральном Черноземном районе. Но самой большой ветропотенциал имеют побережья Северного Ледовитого и Тихого океанов, в том числе Ямал, Таймыр, Камчатка, Чукотка и близлежащие острова. В нынешнюю эпоху высоких цен на топливо можно думать, что ветродвигатели окажутся конкурентоспособными по стоимости и смогут участвовать в удовлетворении энергетических нужд страны.

Ветродвигатель вырабатывает энергию, когда ветер давит на его лопасти. Чем длиннее лопасть, тем больше ветровой энергии она может перехватить. Точно также, чем больше скорость ветра, тем больше его давление на лопасти и тем больше количество перехватываемой энергии.

Выход энергии не находится в линейной зависимости от длины лопасти и от скорости ветра: он растет пропорционально квадрату длины лопасти и кубу скорости ветра.

Обратим внимание на то, что при скорости ветра 33 километра в час удлинение лопасти в 4 раза (с15 до 60 м) увеличивает выработку энергии в 16 раз. Заметим также, что при длине лопасти 30 м ветер со скоростью 50 километров в час обеспечивает выработку электроэнергии, в 26 раз большую, чем ветер со скоростью 17 километров в час. Именно поэтому инженеры склоняются в пользу крупных ветродвигателей и стремятся перехватить ветер на большой высоте.

Большинство крупных ветродвигателей, сооружаемых сейчас или уже действующих, рассчитано на работу при скоростях ветра 17 – 58 километров в час. Ветер со скоростью меньше 17 километров в час дает мало полезной энергии, а при скоростях более 58 километров в час возможно повреждение двигателя.

Ветродвигатели не следует рассчитывать на перехват штормовых ветров. Даже если такой ветер обеспечивает получение намного больше энергии, чем слабые ветры, он производит столь сильное давление на лопасти, что вся машина может быть разрушена. Кроме того, продолжительность времени, когда дуют штормовые ветры, настолько мала, что вклад штормовых ветров в суммарную выработку энергии ничтожен, и это делает подобный риск бессмысленным. Чтобы устранить проблему штормовых ветров, лопасти ветродвигателей изгибают так, чтобы они были слегка повернуты в одну сторону для уменьшения напора ветра; благодаря этому полные удары сильных порывов не повреждают пропеллер. Эта старая практика известна как «оперение». Чтобы предотвратить поломку лопастей, применяют также новые материалы, способные противостоять большим нагрузкам.

Другие проблемы в конструкции ветродвигателей обусловлены просто природой системы, необходимой для перехватки энергии ветра. Двигатели обычно устанавливают на высоких башнях, чтобы лопасти были открыты более сильным ветрам, дующим на большой высоте. Ближе к поверхности дома, деревья, небольшие холмы и т. п. Сдерживают и ослабляют ветер. Поэтому нужны высокие мачты. Однако тяжелое оборудование – пропеллер, коробка передач и генератор – должно размещаться на верхушке мачты, и это требует прочной конструкции.

Еще одну проблему использования энергии от ветродвигателя создает природа самого ветра. Скорость ветра варьирует в широких пределах – от легкого дуновения до мощных порывов; в связи с этим меняется и число оборотов генератора в секунду. Для устранения этого переменный ток, вырабатываемый при вращении оси, выпрямляют, т. е. преобразуют в постоянный, идущий в одном направлении. При больших размерах ветродвигателя этот постоянный ток поступает в электронный преобразователь, который производит стабильный переменный ток, пригодный для подачи в энергетическую систему. Небольшие ветродвигатели вроде тех, что используют на изолированных фермах или на морских островах, подает выпрямленный ток в большие аккумуляторный батареи вместо преобразователя. Аккумуляторные батареи совершенно необходимы для запасания электроэнергии на периоды, когда ветер слишком слаб для выработки какой-либо энергии.

Более трудна проблема регулирования всей системы электростанций. Также как на приливных станций, здесь бывают периоды, когда генераторы вырабатывают мало энергии или совсем ее не производят. В такое время необходимо где-то увеличить выработку тока обычной электростанцией, чтобы покрыть потребность в нем.

Проблемы окружающей среды.

Вызывает ли ветровая энергетика загрязнение воздуха? Нет. Требует ли она воды для охлаждения и не вызывает ли теплового загрязнения? Нет. Потребляет ли она топливо? Нет. Но она производит шум, требует земельной площади и материалов для конструкций. Она также оказывает визуальное воздействие, но опоры линий дальней электропередачи имеют высоту, близкую к высоте самого ветродвигателя из числа ныне разрабатываемых, а градирни бывают еще выше.

Имеется еще один вид воздействия ветровой энергетики. Большие ветродвигатели вращаются со скоростью около 30 оборотов в секунду. Это близко к частоте синхронизации телевидения. Поэтому крупные ветродвигатели могут мешать приему передач на расстоянии до 1,6 км. При использовании лопастей из стекловолокна, которые оказались дешевле металлических, расстояние помех уменьшается примерно вдвое. Но так дело обстоит лишь с большими ветродвигателями, и можно ожидать, что это не будет проблемой для меньших двигателей.

Лопасти ветродвигателей могут убить птиц, но трудно предсказать, в каких масштабах это будет происходить.

Несомненно, какой-то ущерб окружающей среде может наноситься также добычей руды, изготовлением аккумуляторных батарей и гораздо большим количеством проводов и линий передачи, необходимых для сбора электроэнергии от многочисленных ее источников. Но в целом, если мы учтем все затраты на охрану среды, они окажутся очень малыми.

Итак, обзор различных альтернативных источников энергии показывает, что на пороге широкомасштабного промышленного внедрения находятся ветротурбины и солнечные батареи. Если добавить к этому энергосбережение, есть надежда на решение встающих энергетических проблем; таким образом, строительство новых атомных и тепловых электростанций вовсе не обязательно. Однако их придется еще какое-то время сохранить в качестве резервных для стабильного энергообеспечения. Что же касается отдаленного будущего, то в первую очередь следует разрабатывать системы запасания энергии, вырабатываемой солнечными и ветровыми станциями.

С точки зрения окружающей среды и устойчивого развития эти альтернативные источники электричества вполне надежны. К сожалению, они никак не решают проблему сокращения запасов сырой нефти, которая по-прежнему необходима для транспорта.

Пассивные солнечные нагревательные системы весьма рентабельны, и имеет смысл включать их в проекты всех новых зданий. Однако, пока еще существующие и используемые здания не изменятся, потребление традиционных энергоресурсов не снизится; в лучшем случае замедлится его рост. Действительно сократить их использование могло бы повсеместное улучшение теплоизоляции зданий и установка в низ «задним числом» солнечных систем отопления и водонагрева. В таком случае появится возможность перебросить часть мазута, потребляемого в бытовых целях, на нужды транспорта. Однако в самом благоприятном случае проблемы будущего дефицита сырой нефти, необходимой для производства, автомобильного горючего.

Поэтому нужно сосредоточить основное внимание на транспортном секторе.

Что Вы можете сделать?

Хорошо информированные и активные граждане могут многое сделать для поддержки и развития более сбалансированной и экологически устойчивой политики. Кроме того, необходимо писать в соответствующие органы, требуя, чтобы они поддержали следующие мероприятия:

финансирование в первую очередь не ядерной энергетики, а исследований и технических разработок в области использования солнечной энергии для получения водорода, дешевого производства солнечных батарей и легких, недорогих аккумуляторов с высокой емкостью;
перераспределение ассигнований идущих на прокладку автострад (только стимулирующих потребление топлива), на строительство рельсовых электротранспортных систем;
возобновление экономического стимулирования энергосбережения и использования солнечных нагревательных систем; вкладывая деньги в эти перспективные направления, мы в конечном счете добьемся большей экономической и политической безопасности, чем тратя средства на охрану танкеров с нефтью.

Заметьте, что ни одно из этих мероприятий не требует дополнительных расходов; речь идет только о смене приоритетов, которая могла бы привести нас к устойчивому обществу.

Изучайте и применяйте на практике любые средства, позволяющие экономить в Вашем собственном доме (разумеется, не приводящие к дискомфорту), улучшая его теплоизоляцию и внедряя, где это только возможно, солнечные системы отопления и горячего водоснабжения.

Наконец, чтобы защитить себя в будущем нефтяных кризисов, постарайтесь поселиться в таком месте, где пользоваться автомобилем необязательно.

Я выбрала эту тему, так как она кажется, на мой взгляд, очень интересной. Я считаю, что за альтернативными источниками энергии стоит будущее. А уже сейчас мы должны думать, какую планету мы оставим своим потомкам. Я не думаю, чтобы людям на Земле было все равно в какой среде будут расти их дети и внуки. Так объединим же усилия для борьбы за чистую планету, за чистый воздух, за чистую воду!

Список используемой литературы:

1.П. Ревелль, Ч. Ревелль «Энергетические проблемы человечества», издательство «Мир»,1995

2. П. Ревелль, Ч. Ревелль «Загрязнение воды и воздуха», издательство «Мир», 1995

3. Б. Небел «Наука об окружающей среде», издательство «Мир», 1993г

4. «Крымская солнечная электростанция», Внешторгиздат

5.Журнал «Наука и жизнь», издательство «Правда», 1989г.

Опубликовано:
07.10.2020
Вся экология:

• Начало
• Эко новости
• Популярные новости
• Новости сегодня
• Новости вчера
• Новости за день
• Архив экологических новостей
• Добавить материал
• RSS лента новостей
• Эко календарь
• Добавить событие
• Эко Законы
• Эко организации
• Эко сайты
• Добавить сайт
• Эко библиотека
• Составы отходов
• Словарь
• Книги по экологии
• Рефераты
• Эко объявления
• Контакты
• Наши баннеры
• Подписка
• Реклама на сайте

Авторские права на материалы принадлежат Всероссийскому Экологическому порталу, за исключением тех, где указан автор или источник. При полном или частичном цитировании всех материалов активная гиперссылка на Всероссийский Экологический портал (ecoportal.su) обязательна.

На сайте могут быть опубликованы материалы интернет-ресурсов «Facebook» и «Instagram», запрещённые на территории Российской Федерации.

Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов новостных и других материалов, публикуемых на сайте. Сайт, для обеспечения работоспособности, использует файлы cookie. Продолжая пользоваться сайтом, вы соглашаетесь с их использованием.

Все предложения по работе сайта отправляйте на электронный ящик, опубликованный в разделе контакты.

Способы получения электроэнергии: где мир берет силы для развития

С каждым годом мировое потребление электричества растет, поэтому приходится задействовать все доступные способы его выработки. Разбираемся, какие технологии получения электроэнергии существуют и как они влияют на окружающую среду.

Тепловая электростанция
Фото: aapsky / iStock

Тепловые электростанции как источник энергии

В 2021 году с помощью тепловых электростанций (ТЭС) получено 62% мировой электроэнергии. Они работают на органическом топливе — природном газе, угле, мазуте, торфе, горючих сланцах. Нагретая в котле вода превращается в пар, который подается в паровую турбину. В результате ее вращения механическая энергия преобразуется в электрический ток.

Преимущество ТЭС — сравнительно небольшие затраты на строительство и обслуживание. Но при производстве электроэнергии в атмосферу попадают большие объемы CO₂ и других парниковых газов, вызывающих изменения климата, и вредные вещества, такие как оксид углерода, оксид серы, зола, сернистый газ. Они приводят к увеличению риска развития различных заболеваний.

Влияние энергетики на экологию — насколько вредны уголь, нефть и газ

И когда планета и люди вздохнут спокойно

Опасения вызывают и стремительно уменьшающиеся запасы природных ресурсов. По оценкам Минприроды, запасы нефти в России будут исчерпаны через 16-17 лет, а природного газа — через 20. Мировые залежи нефти закончатся позже — примерно через 50 лет.

С учетом вышесказанного многие государства начали активный переход на более безопасную для природы возобновляемую энергию — солнца, ветра и т. д. По-прежнему востребованы атомная и гидроэнергетика. Обеспечение всеобщего доступа к экологически чистым источникам энергии является одной из Целей устойчивого развития (ЦУР) Организации объединенных наций (ООН).

ГЭС «Илья-Солтейра» в Бразилии
Фото: edsongrandisoli / iStock

Перспективность гидроэлектростанций

Около 84% энергии, генерируемой на базе возобновляемых источников, вырабатывают гидроэлектростанции (ГЭС). Это одна шестая всей электроэнергии планеты. Большая часть мировой гидроэлектроэнергии производится в Бразилии, США, КНР, Канаде, России. По оценкам Международного энергетического агентства, в дальнейшем 80% ГЭС будут строиться в развивающихся странах с большим гидропотенциалом.

При работе гидроэлектростанций используется кинетическая энергия потока воды, приводящая в движение турбину. Для создания напора применяются плотины, специальные отводы, расположенные под наклоном (для горных рек), или аккумуляторные насосы, перекачивающие воду из одного резервуара в другой.

Гидроэнергетика использует возобновляемый ресурс и не дает вредных выбросов. Кроме того, мощность этого источника электроэнергии легко отрегулировать путем изменения интенсивности потока воды. С учетом этих преимуществ именно гидроэнергетику рассматривают как наиболее перспективную замену ТЭС.

Но строительство крупных ГЭС также оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Так, из-за Иркутской ГЭС уровень воды в озере Байкал повысился на один метр, что вызвало оползни и разрушение берегов. Кроме того, строительство гидроэлектростанций приводит к ухудшению условий обитания растений и животных, в том числе к снижению концентрации кислорода в воде, нарушению путей миграции рыб.

10 причин, почему крупные ГЭС опасны для природы и человека

Что не так с большими гидроэлектростанциями

Природоохранные организации предлагают ограничиться строительством малых и средних ГЭС. Эффективность этого решения уже подтверждена мировым опытом. Так, в Китае работает более 90 тыс. малых ГЭС. Они обеспечивают 30% электроэнергии, потребляемой сельскими регионами.

Солнечная электростанция в Китае
Фото: Jenson / iStock

Солнце как самый мощный источник получения электроэнергии

Согласно данным Европейской ассоциации солнечной энергетики SolarPower Europe, солнечные электростанции (СЭС) обеспечивают выработку 2,6% мировой электроэнергии. В то же время эта отрасль лидирует по объемам инвестиций. Эксперты Института энергетики НИУ ВШЭ отмечают, что в 2019 году прирост мощностей СЭС в 2,5 раза превысил введенные мощности угольных и газовых станций.

СЭС отражают лучи солнца с помощью зеркал, концентрируя их на приемнике, наполненном маслом или водой. Пар, выделяемый при нагреве жидкости, приводит в действие электрогенератор.

Солнечная энергетика обладает огромным потенциалом. Каждый квадратный метр космического пространства содержит около 1,3 тыс. Вт энергии солнца. Две трети этого количества преодолевают атмосферу и достигают поверхности нашей планеты. Ученые подсчитали, что за 18 ясных дней на Землю поступает столько энергии, сколько содержится во всех запасах нефти, угля и природного газа.

Мировыми лидерами по мощностям солнечной энергетики являются Китай, Германия, Япония и США. В нашей стране эта отрасль тоже развивается: уже построено около 80 крупных СЭС общей мощностью более 1,8 ГВт. Кроме того, государство поддерживает микрогенерацию — каждый человек может установить солнечный модуль, например за окном или на крыше, чтобы генерировать электроэнергию и продавать ее ресурсоснабжающим компаниям.

Как солнечные панели экономят плату за электричество

Пять выводов о том, как развивается частная солнечная энергетика в России

Средний срок службы солнечных батарей — 25-30 лет. Все это время обеспечиваются получение и передача электроэнергии потребителям без дополнительных затрат на обслуживание. Достаточно смывать с модулей пыль 3-4 раза в год. Передача электроэнергии осуществляется по электрическим сетям.

Ветер энергоперемен

Ветроэнергетика развивается быстрее, чем другие технологии ВИЭ. В 2020 году ее мощности увеличились на 95,3 ГВт, в 2021-м — на 93,6 ГВт. Общая мощность ветрогенераторов в мире равна 837 ГВт. К началу 2021 года на ВЭС приходилось 0,13% генерации в России.

Ветроэнергетика не загрязняет атмосферу, но шум и вибрации, создаваемые генераторами, отпугивают животных, обитающих поблизости. Также существует опасность гибели птиц, пролетающих рядом с лопастями. Но действие этих факторов не настолько велико, чтобы всерьез задуматься об отказе от энергии ветра. Так, по данным Европейской ассоциации ветряной энергетики (EWEA), от столкновения с ВЭС гибнет в 3,5 тысячи раз меньше птиц, чем от когтей и зубов кошек. Кроме того, в США создали систему, выключающую генератор при приближении охраняемых пернатых.

Несмотря на активное развитие сектора ВЭС, динамика его роста по-прежнему недостаточна для того, чтобы достичь углеродной нейтральности к 2050 году. По оценкам специалистов из Глобального совета по ветроэнергетике (GWEC), необходимо ежегодно строить в четыре раза больше турбин.

Эксперт: Россия может перейти с угля и газа на ветер

Ветровая электроэнергия в стране уже сопоставима по стоимости с традиционной

Тепловая энергия океана

Воды Мирового океана занимают около 70% поверхности планеты и накапливают большое количество тепловой энергии cолнца. Эту энергию преобразуют в электричество с помощью специального оборудования. Для его эффективной работы необходима разница температур между поверхностным и глубоким слоями воды не менее 20 °C.

Существует три вида океанических теплоэлектростанций (ОТЭС):

В системе открытого цикла прогретая солнцем океаническая вода превращается в пар в камере с низким давлением, снижающим температуру ее кипения. Пар запускает турбину, а на выходе холодная глубинная вода возвращает его в жидкое состояние.

В установках закрытого цикла теплая вода испаряет рабочую жидкость (пропан, фреон, аммиак), циркулирующую по замкнутой системе трубок и проходящую через теплообменник. В этом случае океаническая вода должна быть прогрета до нужной температуры.

В ОТЭС смешанного типа вода преобразуется в пар, который испаряет рабочую жидкость.

Описанный выше порядок получения электроэнергии при помощи ОТЭС подходит только для тропических регионов. Но планируется построить подобные станции и в Арктике, где они будут работать за счет разницы температур подледного слоя воды и воздуха, превышающей 26 °C.

Увеличение объемов использования тепловой энергии океана включено в национальные программы Индии, США, Швеции, Франции, Японии. Так, президент Франции поставил задачу: к 2030 году полностью перевести остров Реюньон на энергию ОТЭС.

Ростовская атомная электростанция
Фото: Эрик Романенко / ТАСС

Атомная энергетика

В мире функционирует более 400 ядерных реакторов, и еще 475 планируется построить. 98% атомных электростанций (АЭС) сконцентрировано в Европе, Северной Америке и Азиатско-Тихоокеанском регионе. В России АЭС вырабатывают 20% всей электроэнергии страны. Сейчас госкорпорация «Росатом» строит три новых энергоблока, в том числе инновационный реактор БРЕСТ-ОД-300 с замкнутым топливным циклом. Облученное топливо будет перерабатываться и использоваться повторно, благодаря чему система станет практически безотходной.

«Замести под коврик»: как в России утилизируют радиоактивные отходы

Грамотно ли в нашей стране поступают с атомными реакторами и топливом

В недавнем заявлении Еврокомиссии говорится, что ядерная энергетика поможет увеличить долю использования возобновляемых источников энергии и перейти к климатической нейтральности, то есть минимизировать влияние электростанций на климат. Этот способ получения электричества имеет еще одно достоинство: энергоемкость ядерного топлива в 10 4 раз больше нефти.

Климатолог Джеймс Хансен отметил, что переход на атомную энергетику может спасти 7 млн жизней в год. Именно столько людей умирает от загрязнения воздуха, вызванного выбросами теплоэлектростанций.

У развития атомной энергетики есть одно препятствие — негативные ассоциации, связанные с катастрофами в Чернобыле и Фукусиме. Но надежность современных ядерных реакторов не оставляет поводов для опасений: согласно исследованию медицинского журнала Lancet, атомная энергия по безопасности превосходит даже солнечные панели.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен.

БИЛИМ БУЛАГЫ

Билим булагы may not look as expected in this version of Internet Explorer. We recommend you upgrade to a newer version of Internet Explorer or switch to a browser like Firefox or Chrome.

Физика: Световая энергия

Световая энергия известна каждому человеку с момента рождения. Благодаря солнечной энергии на Земле возникла жизнь. Костёр первобытного человека, уголь, сгорающий в домнах, топливо космической ракеты — всё это световая энергия, запасённая когда-то растениями и животными.

Существуют различные источники световой энергии: Солнце, звезды и Луна, костер, хемилюминесцентные растения, животные. В наше время Солнце остается основным и самым важным источником энергии на всем земном шаре.

Солнечная энергия

Вся жизнь на Земле основывается на энергии солнечного света.

Солнечная энергия участвует в общем круговороте видов энергии. Растения и все живые существа используют энергию Солнца. Сжигая в печах полезные ископаемые (нефть и каменный уголь), человечество, можно сказать, расходует световую энергию, которая когда-то запасалась растениями. При работе электрической лампы, электродвигателя, люди также потребляют энергию Солнца. Это объясняется тем, что вода, которая воздействует на турбины гидроэлектростанции, когда-то превращалась в пар благодаря Солнцу и переносилась тучами на вершины и возвышенности. Таким образом, энергия не исчезает, а переходит из одного вида в другой.

На поверхность Земли попадает лишь около четверти энергии, которая образуется Солнцем. Такая энергия появляется в результате термоядерных вспышек. Солнечное вещество преобразуется в энергию непрерывно. При этом 1 г вещества сопоставляется с энергией, которая выделяется при сжигании 20000 т угля. Полученная энергия транспортируется на Землю посредством светового излучения.

В современном мире самым доступным видом энергии для человечества является световая энергия. Солнце следует отнести к источнику, имеющему самые большие объемы и запасы. Сегодня человечество обширно использует не только световую энергию Солнца, которая получена естественным путем, но и может искусственно преобразовывать ее из других разнообразных видов энергии: механической, электромагнитной, химической. Хотя стоит отметить, что применение солнечных батарей (они преобразуют электромагнитные волны) может быть ограниченно территориальным местоположением района. Естественная солнечная энергия успешно используется для преобразования в тепловую энергию (нагрев воды), формирования электрической энергии (солнечные батареи), выращивания сельскохозяйственных растений и культур (химическое проявление энергии).

Первые солнечные водонагреватели начали массово использовать в 1980 г. Это стало большим прогрессом по сравнению со сжиганием древесины и угля. Это происходило, потому что цены на газ были очень высокими. А электричество было еще дороже. Но затем было открыто много новых месторождений природного газа и нефти, цены на ископаемое топливо снизилось, и солнечные водонагреватели стали заменять приборами, работающими на газе и угле.

Сегодня солнечные водонагреватели возвращаются снова. Они используются для подогрева воздуха, воды, для отопления домов и горячего водоснабжения. Панели, расположенные на крышах зданий, содержат трубы, в которых нагревается вода.

Альтернативная энергетика

Солнечное электричество Солнечная энергия может быть использована для производства электричества. Солнечные тепловые электростанции оборудованы сильно изогнутыми зеркалами, которые называются параболическими, для того чтобы сфокусировать солнечные лучи на центральной трубе, заполненной водой. При нагревании вода превращается в пар, который приводит в движение турбины, производящие электроэнергию.

Другой вид – это солнечные электростанции башенного типа. Солнечный свет отражается 18000 зеркалами, окружающими высокую башню. Зеркала называются гелиостатическими и они повернуты к солнцу в течение всего дня. Зеркала отражают солнечные лучи на центральный теплоприемник, расположенный на вершине башни и заполненный специальной жидкостью, которая при нагревании превращается в пар. Одна электростанция башенного типа производит электричество необходимое примерно для 10000 коттеджей.

Проблема использования данных систем заключается в том, что они работают только тогда, когда светит солнце.

То есть в пасмурный день или ночью солнечные электростанции не могут производить энергию. Поэтому некоторые электростанции работают по смешанным технологиям. В дневное время они используют энергию солнца, а ночью работают на природном газе.

Фотоэлектрические станции. Они работают по принципу прямого преобразования солнечного света в электроэнергию. Этот процесс осуществляется солнечными фотоэлементами, которые, как правило, последовательно соединены между собой.

Преимущества ФЭС:

• Позволяет получить «зеленую», экологически чистую электроэнергию от бесплатного источника – Солнца.
• Обеспечивает независимость от энергосети, не использует нефть, газ, уголь.
• Не загрязняет окружающую среду при выработке электроэнергии.
• Обеспечивает устойчивую подачу электроэнергии потребителю.
• Позволяет получать качественную электроэнергию с постоянными показателями (220 В; 50 Гц).
• Является лучшей альтернативой в качестве источника бесперебойного питания.
• Длительный срок эксплуатации панелей до 25 лет.

Недостатки ФЭС:

• Дороговизна оборудования. На сегодняшний день от 2 до 10 тыс. долларов США за один кВт.

Сегодня фотоэлектрическое оборудование доступно на рынке Кыргызстана.

Уже в 1995 году с помощью ветрогенератора вырабатывалось четыре с половиной тысячи мегаватт электрической энергии. Ветроэлектростанции целесообразно располагать в странах, имеющих подходящие скорости ветра, невысокий рельеф местности и испытывающих дефицит природных ресурсов. Ветряные электростанции производят электричество за счет энергии перемещающихся воздушных масс – ветра.

Преимущества:

• Ветряные электростанции не загрязняют окружающую среду вредными выбросами.
• Ветровая энергия, при определенных условиях может конкурировать с не возобновляемыми энергоисточниками.
• Источник энергии ветра – природа – неисчерпаема.
• Разработка и монтаж ветроустановок — очень дорогая процедура, но нужно учитывать такое преимущество, как использование бесплатной энергии ветра.
• Использование ветрогенератора, является очень экологичным способом выработки электроэнергии.

• Ветер от природы нестабилен, с усилениями и ослаблениями. Это затрудняет использование ветровой энергии. Главная задача – найти техническое решение этой проблемы.
• Ветряные электростанции создают вредные шумы. Обычно ветряные установки строятся на таком расстоянии от жилых зданий, чтобы шум не превышал 35–45 децибел.
• Ветряные электростанции создают помехи телевидению и различным системам связи.
• Ветряные электростанции причиняют вред птицам, если размещаются на путях миграции и гнездования.

Для большей эффективности, экономичности лучше объединить ветряные электростанции с другими энергосистемами в комплексы.

Геотермальные станции Значительная часть поверхности Земли обладает большими запасами геотермальной энергии вследствие вулканической деятельности, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия участков магмы в земной коре. В ряде географических районов использование геотермальных источников может существенно увеличить выработку энергии, так как геотермальные электростанции (ГеоТЭС) являются одним из наиболее дешевых альтернативных источников энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли содержится столько теплоты, что это позволяет рассматривать ее как альтернативу органическому топливу.

Энергия, получаемая на геотермальных электростанциях, в большинстве случаев экономически выгодная. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива и сократить объем выбросов вредных веществ, выделяемых при выработке того же количества электроэнергии на жидком топливе, на 2 миллиона тонн.

В нашей республике Кыргызстан внедрена система геотермального отопления и охлаждения при строительстве общественного здания АУЦА в Центральной Азии.

Приливные электростанции Под влиянием притяжения Луны и Солнца происходят периодические поднятия и опускания поверхности морей и океанов – приливы и отливы. Частицы воды совершают при этом и вертикальные и горизонтальные движения. Наибольшие приливы наблюдаются в дни новолуний и полнолуний. В открытом море подъем водной поверхности во время прилива не превышает 1 м. Значительно большей величины приливы достигают в устьях рек, проливах и в постепенно суживающихся заливах с извилистой береговой линией.

Существующие приливные электростанции используют перепад уровней воды, образующийся во время прилива и отлива. Для этого отделяют прибрежный бассейн невысокой плотиной, которая задерживает приливную воду при отливе. Затем воду выпускают, и она вращает гидротурбины.

Приливные электростанции не загрязняют атмосферу вредными выбросами, не затапливают земель. А также они не представляют потенциальной опасности для человека в отличие от тепловых, атомных и гидроэлектростанций. В то же время себестоимость их энергии – самая низкая. Мировое сообщество предполагает лидирующее использование в ХХI веке экологически чистой и возобновляемой энергии морских приливов.

Фотосинтез

Фотосинтез – это переработка неорганических веществ в органические при помощи специальных пигментов. Благодаря этому явлению растения питаются и снабжают планету кислородом. Проще всего понять, что такое фотосинтез, при помощи данной картинки:

• Растения при помощи пигмента под названием хлорофилл поглощают воду и углекислый газ (неорганические вещества).
• На растения оказывают воздействие лучи солнца.
• Под воздействием этих лучей из воды и углекислого газа синтезируются кислород и глюкоза.
• Кислородом дышат другие живые существа. Выделяют углекислый газ — и круг замыкается, все начинается снова.

Именно благодаря фотосинтезу стала возможной эволюция бактерий в более сложные организмы, таким образом, солнечная энергия стала одним из источников питания для бесчисленного количества организмов.

Излучение

Свет – это электромагнитные волны с длиной волны 4×10-7-8×10-7 м. Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение. Тепловым источником излучения является Солнце, а также обычная лампа накаливания. Лампа очень удобный, но малоэкономичный источник. Лишь около 12% всей энергии, выделяемой в нити лампы электрическим током, преобразуется в энергию света. Наконец, тепловым источником света является пламя. Крупинки сажи (не успевшие сгореть частицы топлива) раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.

Электролюминесценция. Северное сияние есть проявление электролюминесценции. Потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем, захватываются магнитным полем Земли. Они возбуждают у магнитных полюсов Земли атомы верхних слоев атмосферы, благодаря чему эти слои светятся. Электролюминесценция используется в трубках для рекламных надписей.

Катодолюминесценция. Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминесценцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция. Почти каждый из вас, вероятно, знаком с ним. Летом в лесу можно ночью увидеть насекомое светлячка. На теле у него «горит» маленький зеленый «фонарик». Вы не обожжете пальцев, поймав светлячка. Восхитительное творение природы — https://ok.ru/prohitech/topic/67766187423149 Светящееся пятнышко на его спинке имеет почти ту же температуру, что и окружающий воздух. Свойством светиться обладают и другие живые организмы: бактерии, насекомые, многие рыбы, обитающие на большой глубине. Часто светятся в темноте кусочки гниющего дерева.

Фотолюминесценция. Светящиеся краски, которыми покрывают многие елочные игрушки, излучают свет после их облучения. Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можно наблюдать экспериментально. Если направить на сосуд с флюоресцеином (органический краситель) световой пучок, пропущенный через фиолетовый светофильтр, то эта жидкость начинает светиться зелено-желтым светом, т. е. светом большей длины волны, чем у фиолетового света. Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного света. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной трубки веществами, способными ярко светиться под действием коротковолнового излучения газового разряда. Лампы дневного света примерно в три-четыре раза экономичнее обычных ламп накаливания.

Глоссарий

• Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин.
• Геотермальная электростанция (ГеоЭС или ГеоТЭС) — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров).
• Световая энергия — физическая величина, которая характеризует способность энергии, переносимой светом, вызывать у человека зрительные ощущения.
• Свет — это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом.
• Фотосинтез — процесс усвоения растениями углекислого газа из воздуха под действием света, сопровождающийся выделением кислорода.

Полезные ссылки

• Видеоурок «Освещенность» — https://www.getaclass.ru/edu/osveshchennost
• Как это работает? Солнечная электростанция — https://www.youtube.com/watch?v=ooqiDYa1OvA
• Наука для детей — Скорость света. Энергия. Масса — https://www.youtube.com/watch?v=f4echY8Wzgs
• Энергоэффективная экономика, сокращение затрат на отопление и альтернативная энергетика. ГеоЭС, Ветряные, Биогазовые установки и т.д. — http://diesel.elcat.kg/index.php?showtopic=5188210

Библиография

• Ветровые электростанции — технология применения ветра для выработки электроэнергии — http://www.nparks.ru/wind.php
• Клейтон Р., Фотосинтез, пер. с англ., М., 1984; Рубин А. Б., Биофизика, кн. 1-2, М., 1987. А. Б. Рубин.
• Фотосинтез + квантовая физика = улучшенная солнечная батарея — https://www.ecobyt.ru/article/051216/1774/

Факты о Солнце

• Масса Солнца занимает 99,86% массы всей Солнечной системы.

• Около 74% веса этой звезды приходится на водород, 24% -гелий, 1,5% -углерода и 0,1% всех остальных элементов.

• Гравитация на поверхности Солнца в 28 раз превышает гравитацию Земли. Это означает, что если человек на Земле весом в 60 кг ,то на Солнце он станет весить 1680кг..

• Гравитационное притяжение звезды настолько велико, что даже Плутон, планета, которая удалена на 5900 млн. км. от Солнца, находится под его влиянием и сохраняет орбиту.

• Среднее расстояние от нашей планеты до светила составляет 149,6 млн. км.

• Солнечный свет преодолевает это расстояние до поверхности Земли за 8,3 минуты. Зато до Плутона солнечный свет долетает за 5,5 часа.

• Звезда вращается вокруг своей оси за 25,38 земных суток.

• Солнце обладает дифференциальным вращением. Период вращения на экваторе составляет около 25 дней, тогда как в полярных регионах достигает 36 дней.

• Оно удалено от центра нашей галактики на 26 тыс. световых лет.

• Солнечная система является частью галактики Млечный Путь и вращается вокруг ее центра со скоростью 217 км/с, делая полный оборот примерно за 240 млн. лет.

• В дополнение к свету и теплу, звезда испускает поток электронов и протонов. Этот поток называют солнечным ветром, а скорость его движения от Солнца равна 450 км / сек.

• Температура на поверхности составляет около 5500 градусов Цельсия, в то время как в ядре все 13 599 726 градусов Цельсия.

• В данный момент Солнце прожило уже половину своей жизни, его возраст составляет 4,57 млрд. лет.

• Солнце является одним из 6000 звезд, которые мы можем увидеть с поверхности Земли без применения телескопов, а просто невооруженным глазом.

• Наша звезда — одна из 200 миллиардов звезд в галактике Млечный Путь.

• Солнце генерирует огромное количество энергии путем объединения ядер водорода в гелий. Этот процесс называется ядерным синтезом.

• За каждую секунду светило сжигает 5 миллионов тонн материала.

• Каждую секунду 0,7 миллиарда тонн водорода путем термоядерного синтеза трансформируется в 695 миллионов тонн гелия высвобождая 5 млн. тонн энергии в виде гамма-лучей.

• Плотность вещества в ядре составляет в 150 раз больше плотности воды на Земле.

• Если бы капля вещества из ядра Солнца упала на поверхность Земли, то ни одно живое существо не выжило бы на расстоянии 150 км от падения.

• Количество солнечной энергии, которая достигает поверхности атмосферы Земли, составляет 1,37кВт электроэнергии на квадратный метр. При прохождении через нашу атмосферу, часть энергии утрачивается. В конечном итоге в солнечный день, когда светило в зените, на 1 метр квадратный поверхности земли приходится 1 кВт энергии, которая потребляется живыми организмами для фотосинтеза и жизни.

• Количество энергии, достигающей поверхности Земли от Солнца в 6000 раз больше энергии, используемой всем человечеством по всему миру.

Появление Солнца:

Около 5 млрд. лет назад, наша солнечная система была просто огромным облаком пыли и газа, оставшимся после разрушения предыдущих звезд. Постепенно под действием силы гравитации, мельчайшие частицы начали собираться в более плотные облака. В центре будущей Солнечной системы сформировался большой сгусток материи и газов – это было будущее Солнце. Тогда оно находилось в состоянии протозвезды. Далее под все возрастающим давлением из-за гравитационных сил, это облако вспыхнуло. Это была новорожденная звезда. В ней начали протекать термоядерные реакции по превращению водорода в гелий и как следствие выделяться тепло и свет, а также поток заряженных частиц – солнечный ветер.

Настоящее состояние:

В таком состоянии сейчас находится наше Солнце, оно каждую секунду сжигает около 700 млн. тонн топлива. Его запасов приблизительно хватит на 5 млрд. лет. Однако это не означает, что жизнь человечества будет такой безоблачной, т.к. через 1 миллиард лет, жить на Земле будет очень тяжело.

Смерть Солнца:

Уже через 1,1 млрд. лет, светило увеличит свою яркость на 10 %, что повлечет сильное нагревание Земли.

Через 3,5 млрд. лет, яркость увеличиться на 40%. Начнут испаряться океаны и наступит конец всему живому на Земле.

По прошествии 5,4 млрд лет в ядре звезды закончится топливо – водород. Солнце начнет увеличиваться в размерах, за счет разрежения внешней оболочки и нагрева ядра.

Через 7,7 млрд. лет наша звезда превратится в красного гиганта, т.к. увеличится в 200 раз, из-за этого будет поглощена планета Меркурий.

В конце, через 7,9 млрд. лет, внешние слои звезды настолько разредятся, что распадутся на туманность, а в центре бывшего Солнца будет маленький объект – белый карлик. Так закончит существование наша Солнечная система. Все строительные элементы, оставшиеся после распада, не пропадут, они станут основой для зарождения новых звезд и планет.

Световая энергия в жизни

• Программируемые светодиоды для велосипедов

• Безопасный способ достать цоколь, если лопнула лампа

• Беспроводная передача энергии

• В Копенгагене здание школы облицевали солнечными коллекторами — это обеспечило половину требуемой энергии

• 7 впечатляющих применений солнечной энергии