Альтернативные виды энергии

Одним из первых гигантов на пути научного прогресса человечества, несомненно, был Исаак Ньютон. Этот выдающийся английский естествоиспытатель всю свою долгую жизнь и незаурядный талант посвятил пауке: физике, астрономии и математике. Он сформулировал основные законы классической механики, разработал теорию тяготения, заложил основы гидродинамики и акустики, в значительной мере способствовал развитию оптики, вместе с Лейбницем создал начала теории исчисления бесконечно малых и теории симметричных функций. Физику XVIII и XIX столетий по праву называют ньютонавской. Труды Исаака Ньютона во многом помогли умножить силу человеческих мускулов и творческие возможности человеческого мозга.

Промышленная революция – так мы часто называем эту эпоху великих открытий – существенно изменила течение жизни на нашей планете. Одним из ее последствий было окончательное падение феодализма, который уже не мог приспособиться к развитию новых производительных сил, и упрочение капиталистических производственных отношений. Джеймс Уатт изобрел паровую машину, которая раскрутила колесо истории до небывалых прежде оборотов.

Итальянский физик А. Вольта родился в 1745г. Он продолжил эксперименты своего земляка Л. Гальвано и прославился изобретением электрической батареи (1800). В его честь мы называем основную единицу электрического напряжения вольтом. (В). Вольтову батарею – так называемый элемент–составляли два разных проводника электрического тока (электроды), погруженные в жидкость (электролит), через которую протекал электрический ток. В качестве электродов Вольта использовал медь и цинк, а электролитом служила соленая вода. Долгим и трудным был путь от этого первого источника постоянного тока до современной электрификации большей части нашей планеты.

Затем последовало множество  открытий, связанных с магнитными свойствами электрического тока. Французский  физик Андре Ампер стал основоположником новой науки – учения об электромагнетизме. Отсюда оставался один шаг до создания электродвигателя, Этот решающий шаг помогли сделать великий английский физик и химик, бывший ученик переплетчика Майкл Фарадей, немецкий физик, живший и работавший в России, Герман Якоби и многие другие, известные и неизвестные механики, физики и химики. Первые электродвигатели работали от усовершенствованных вольтовых элементов. Они обладали малой мощностью и постепенно были вытеснены двигателями переменного тока. Для этого потребовалось создать новые источники такого тока – генераторы, а затем турбины, чтобы приводить их в движение.

Путь к всеобщей электрификации проходил через множество крупных  и мелких открытий и изобретений. Но это был логичный и целенаправленный путь. Электрическую энергию легко можно передавать на большие расстояния и непосредственно использовать для самых разнообразных целей.

Сколько людям  нужно энергии

Рождение энергетики произошло несколько миллионов  лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь, появился в древней  Греции значительно позже того, как  во многих частях света были освоены  методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованием топлива.

Сейчас известно, что древесина - это аккумулированная с помощью фотосинтеза солнечная энергия. При сгорании каждого килограмма сухой древесины выделяется около 20 000 кДж тепла. Напомним также, что теплота сгорания бурого угла равна примерно 13000 кДж/кг, антрацита 25000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42000 кДж/кг, а природного газа 45000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород -120000 кДж/кг.

Пришло время объяснить, что же такое энергия, т.е. величина, измеряемая килоджоулями. Известна и другая физическая величина - работа, имеющая ту же размерность, что и энергия.

Оказывается, вопрос имеет  принципиальное значение. Энергия - слово греческое, означающее в переводе деятельность. Термином "энергия" обозначают единую скалярную меру различных форм движения материи. Энергию можно получить при сгорании 1кг угля или 1кг нефти, которые называются энергоносителями. Законы физики утверждают: та работа, которую можно получить в реальных машинах и использовать на наши нужды, будет всегда меньше энергии, заключенной в энергоносителе. Энергия - это, по сути дела, энергетический потенциал, а работа - это та часть потенциала, которая дает полезный эффект. Разницу между энергией и работой называют рассеявшейся энергией. До сих пор по традиции еще применяют понятия потенциальной и кинетической энергии, хотя в действительности из-за огромного разнообразия видов энергии было бы целесообразно пользоваться единственным термином - энергия. Таким образом, работа совершается в процессе преобразования одних видов энергии в другие и характеризует полезную ее часть, полученную в процессе такого преобразования. Рассеянная в процессе совершения работы энергия неизменно превращается в тепло, которое сообщается окружающему пространству. Поскольку процессы преобразования одних видов энергии в другие бесконечны, любая работа, в конце концов, переходит в тепло, т.е. обесценивается. Это означает, что чем больше человечество добывает угля, нефти и других энергоресурсов, тем больше оно в конечном итоге нагревает окружающую среду.

Прогноз роста потребности  в энергии чаще всего связывают  с ростом численности населения  Земли. При этом предполагают, что  на каждого жителя уровень полученной энергии будет также увеличиваться.

Очевидно, что в результаты существующих прогнозов по истощению к середине – концу следующего столетия запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля из-за вредных выбросов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов хватит не менее чем на 1000 лет.

Мир наполнен энергией, которая  может быть использована для совершения работы разного характера. Энергия  может находиться и находится  в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах, а мы, в свою очередь, рассмотрим способы извлечения этой энергии для ее преобразования.

Альтернативные  источники энергии

Солнечная энергия

В этой главе, речь пойдет об энергии солнца. Как известно Солнце является одним из  основных источников жизни на нашей планете.

Своей жизнетворной силой  Солнце всегда вызывало у людей чувства  поклонения и страха. Народы, тесно  связанные с природой, ждали от него милостивых даров – урожая и изобилия, хорошей погоды и свежего дождя или же кары – ненастья, бурь, града. Поэтому в народном искусстве мы всюду видим изображение Солнца: над фасадами домов, на вышивках, в резьбе.

Почти все источники энергии, так  или иначе, используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна и древесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на земном шаре.

В последнее время возрос интерес к солнцу как к неисчерпаемому источнику энергии. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использование непосредственного солнечного излучения чрезвычайно велики. Ведь солнечное излучение также является экологически чистым и возобновляемым источником энергии.

Известно что, за  три  дня Солнце посылает на Землю   столько   энергии, сколько ее содержится во всех разведанных запасах  ископаемых топлив, а за 1 с – 170 млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или   поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая    Солнцем, больше той ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

К началу XXI века человечество разработало и освоило ряд  принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно  условно разделить на машинные и без машинные методы. Последние часто называют методом прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Среди машинных преобразователей наиболее паро- и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях.

Принципиальная схема  замкнутой газотурбинной установки  выглядит так. Солнечная радиация, собранная  концентратором на поверхности солнечного котла, нагревает рабочее тело – инертный газ до температур порядка 1200 – 1500 градусов Кельвина и под давлением, создаваемым компрессором, подает горячий газ на лопатки газовой турбины, которая приводит в действие электрогенератор переменного тока. Отработавший в турбине газ поступает сначала в генератор, где подогревает рабочий газ после компрессора. Тем самым он облегчает работу основного нагревателя – солнечного котла. Затем газ охлаждается в холодильнике – излучателе.

В энергоустановке с  паротурбинным преобразователем собранная концентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации в холодильнике – излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке, а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше. У подобной установке, работающей на органическом рабочем теле, коэффициент полезного действия составляет 15 – 20 процентов при сравнительно невысоких температурах подвода тепла – всего 600 – 650 градусов Кельвина.

Наиболее привлекательной  идеей  относительно преобразования солнечной энергии по мнению специалистов является использование без машинных преобразователей: термоэлектрических, термоэмиссионных и фотоэлектрических, непосредственно преобразующих  энергию солнечного излучения в электрический ток.

На сегодняшний день распространенными является фотоэлектрические  элементы.

 Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839г. Это случайное открытие оставалось незамеченным вплоть до 1873г., когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов. В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фото преобразователей. Лишь в начале 50-х годов 20-го века солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.

Рассмотрим фотоэлектрический метод преобразования энергии. В солнечных батареях используется явление внешнего фотоэффекта, проявляющегося на p−n переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают p−n переход путем введения в монокристаллический полупроводниковый материал базу примеси с противоположным знаком проводимости. При попадании на p−n переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. Ток будет  зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности. Элемент размером 100*100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 10*10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший. Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25^оС он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4 %/градус. В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70^оС теряя 0,07-0,09 В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом.

 Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей колеблется в пределах  10 – 16 %. Это значит, что элемент размером 100*100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

На пример, электростанция на солнечных батареях вблизи экватора с суточной выработкой 500 МВт·ч (примерно столько энергии вырабатывает довольно крупная ГЭС) при к.п.д. 10% потребовала бы эффективной поверхности около 500000м². Ясно, что такое огромное количество солнечных полупроводниковых элементов может. Окупиться только тогда, когда их производство будет действительно дешево. Эффективность солнечных электростанций в других зонах Земли была бы мала из-за неустойчивых атмосферных условий, относительно слабой интенсивности солнечной радиации, которую здесь даже в солнечные дни сильнее поглощает атмосфера, а также колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи.

В связи с этим многие специалисты выдвигают идею о  размещение солнечной электростанции в космосе, Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии Солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.