Энергия

Содержание

Энергия – не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического (а в более широком смысле – естественнонаучного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.
Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы тради¬ционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топли¬ва – водорода, однако управляемые термоядерные реак¬ции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использова¬ны для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Цель работы – прежде всего, ознакомиться с современным положением дел в этой необычайно широкой проблематике, анализ новых путей получения практически полезных форм энергии.
К новым формам первичной энергии, рассмотренным в нашей дипломной работе в пер¬вую очередь относятся: солнечная и геотермальная энергия, приливная, атомная, энергия ветра и энергия волн. В отличие от ископаемых топлив эти формы энергии не ограниче¬ны геологически накопленными запасами (если атом¬ную энергию рассматривать вместе с термоядерной). Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.
 Предисловие
Никакой вид энергии не обходится так дорого, как её недостаток.
Гоми Баба, 1964.
Это высказывание известного индийского ученого никогда не звучало столь актуально, как в наши дни, когда человечество, не считаясь с огромными финансовыми расходами, прилагает все уси¬лия к поиску новых путей получения энергии.
Проблемы, связанные с происхождением, экономичностью, тех¬ническим освоением и способами использования различных источни¬ков энергии, были и будут неотъемлемой частью жизни на нашей планете. Прямо или косвенно с ними сталкивается каждый житель Земли. Понимание принципов производства и потребления энергии составляет необходимую предпосылку для успешного решения при¬обретающих все большую остроту проблем современности и в еще большей степени – ближайшего будущего.
Мир, в котором мы живем, можно изучать с самых разных то¬чек зрения. Новые знания ведут к постоянному их сужению, ко все большей дифференциации научных дисциплин и соответствующих им областей человеческой деятельности. Результаты объективной оцен¬ки “состояния дел” в этих областях весьма различны. Если говорить о существующей и поныне угрозе войн, о миллионах недоедающих и голодных, о все возрастающем загрязнении жизненной среды, то приходится констатировать наличие серьезнейших проблем, решение которых не терпит отлагательства. Проблемы эти тревожат весь про¬грессивный мир и не позволяют человечеству удовлетвориться до¬стигнутым. Если же оценивать развитие пауки и техники само по себе, в самом широком смысле слова, то здесь успехи весьма велики и заслуживают высочайшего уважения.
Почему же именно сейчас, как никогда остро, встал вопрос: что ждет человечество - энергетический голод или энергетичес¬кое изобилие? Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцвета¬ют и беднеют государства, сменяются правительства. К разряду газетных сенсаций стали относить сообщения о запуске новых ус¬тановок или о новых изобретениях в области энергетики. Разра¬батываются гигантские энергетические программы, осуществление которых потребует громадных усилий и огромных материальных затрат.
Если в конце прошлого века самая распространенная сейчас энергия - энергетическая - играла, в общем, вспомогательную и незначительную в мировом балансе роль, то уже в 1930 году в мире было произведено около 300 миллиардов киловатт-часов электроэнергии. Вполне реален прогноз, по которому в 2000 году будет произведено 30 тысяч миллиардов киловатт-часов! Гигант¬ские цифры, небывалые темпы роста! И все равно энергии будет мало, а потребности в ней растут еще быстрее.
Уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной куль¬туры людей находится в прямой зависимости от количества энер¬гии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добыть руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, нужно израс¬ходовать энергию. А потребности человека все время растут, да и людей становится все больше.
Неумолимые законы природы утверждают, что получить энергию, пригодную для использования, можно только за счет ее пре¬образований из других форм. Вечные двигатели, якобы производя¬щие энергию и ниоткуда ее не берущие, к сожалению, невозможны. А структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню сложи¬лась таким образом, что четыре из каждых пяти произведенных киловатт получаются в принципе тем же способом, которым поль¬зовался первобытный человек для согревания, то есть при сжига¬нии топлива, или при использовании запасенной в нем химической энергии, преобразовании ее в электрическую на тепловых элект-ростанциях. Конечно, способы сжигания топлива стали намного сложнее и совершеннее.
Новые факторы - возросшие цены на нефть, быстрое развитие атомной энергетики, возрастание требований к защите окружающей среды, потребовали нового подхода к энергетике.
В разработке Энергетической программы приняли участие виднейшие ученые нашей страны, специалисты различных минис¬терств и ведомств. С помощью новейших математических моделей электронно-вычислительные машины рассчитали несколько сотен вариантов структуры будущего энергетического баланса страны. Были найдены принципиальные решения, определившие стратегию развития энергетики страны на грядущие десятилетия.
Хотя в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах, струк¬тура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Су¬щественно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канс¬ко-Ачинском, Экибастузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в стране намного превосходят запасы в других странах. Энергетическая программа страны - основа нашей техники и экономики в канун 21 века.
Но ученые заглядывают и вперед, за пределы сроков, уста¬новленных Энергетической программой. На пороге 21 века, и они трезво отдают себе отсчет в реальностях третьего тысячелетия. К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запа¬сов топлива может хватить на века. К сожалению, многие нефте¬добывающие страны живут сегодняшним днем. Они нещадно расходу¬ют подаренные им природой нефтяные запасы. Сейчас многие из этих стран, особенно в районе Персидского залива, буквально купаются в золоте, не задумываясь, что через несколько десятков лет эти запасы иссякнут. Что же произойдет тогда –, а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Происшедшее повышение цен на нефть, необходимую не только энергетике, но и транспорту, и химии, заставило заду¬маться о других видах топлива, пригодных для замены нефти и газа. Особенно призадумались тогда те страны, где нет собс¬твенных запасов нефти и газа и которым приходится их покупать.
Энергия – с чего все началось
Сначала огонь добывали случайно – например, из горящих деревьев, в которые ударила молния, затем стали добывать сознательно: за счет трения друг о друга двух подходящих кусков дерева человек впервые зажег огонь 80–150 тысяч лет назад. Животворный, таинственный, вселяющий уверенность и чувство гордости ОГОНЬ.
Шло время. Люди научились получать тепло. Они стали использовать силу прирученных животных, ветра и воды. Упоминание о первом использовании водной энергии – запуске первой мельницы с колесом, приводимым в движение водяным потоком,– относится к началу нашего летосчисления. А древнейшие из известных сегодня ветряных мельниц в Европа были построены в XI в.
Главным же источником энергии, при помощи которой человек строил жилье, служила сила его собственных рук и ног. Правда, уже в 1470 г. был спущен на воду первый большой четырехмачтовый корабль; около 1500 г. гениальный Леонардо да Винчи предложил не только весьма остроумную модель ткацкого станка, но и проект сооружения летающей машины.
Джеймс Уатт изобрел паровую машину, которая раскрутила колесо истории до небывалых прежде оборотов.
В 1802 г. Эванс открыл в Филадельфии первый завод паровых машин высокого давления. В 1807 г. американский изобретатель Роберт Фултон сконструировал первый пароход “Клермонт”. Итальянский физик Алессандро Вольта родился в 1745 г. Он продолжил эксперименты своего земляка Луиджи Гальвани и прославился изобретением электрической батареи (1800). В его честь мы называем основную единицу электрического напряжения вольтом. Первым убедительным доказательством полезности вольтова элемента было изобретение электрического телеграфа, которое чаще всего приписывают немецкому врачу и натуралисту Самуэлю Земмерингу (1809). Через два года английскому физику и химику Гемфри Дэви удалось получить между двумя угольными электродами электрическую дугу–светящуюся струю электрически заряженных частиц необычайно высокой температуры. Дэви был автором и ряда других открытий в зарождающейся области науки–электрохимии, изучающей связь между электрическими и химическими процессами и явлениями.
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. Все прежние машины и механизмы требовали “топлива”, т. е. источника энергии, непосредственно на месте: паровая машина не в состоянии работать без достаточного количества топлива, ветряная мельница – без ветра, водяная мельница – без потока воды. А электрический двигатель работает и за сотни километров от источника потребляемой им энергии.
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 опти¬мизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продук¬тов, технологическим средством и т.д.
Пришло время объяснить, что же такое энергия, т.е. величи¬на, измеряемая килоджоулями. Известна и другая физическая величина - работа, имеющая ту же размерность, что и энергия, Зачем нужны два разных понятия?
Оказывается, вопрос имеет принципиальное значение. Энер¬гия - слово греческое, означающее в переводе деятельность. Термином "энергия" обозначают единую скалярную меру раз¬личных форм движения материи. По-скольку процессы преобразования одних видов энергии в другие бесконечны, любая работа, в конце концов, переходит в тепло, т.е. обесценивается. Это означает, что чем больше чело¬вечество 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. 15 июля 1987 года численность населения Земли перешла 5-миллиардный рубеж (прогнозы 1975 года утверждали, что это произойдет только после 1990 года!). Ожи¬дается, что к 2000 году население составит не меньше 6 млрд. человек, а на каждого жителя будет приходиться в год в сред¬нем около 29 МВт•ч получаемой энергии, в то время как общая годовая потребность в ней составит 20-200 млрд. МВт•ч.
Таким образом, можно сказать, что на одного человека в 2000 году будет приходиться 29МВт•ч всех видов вырабатываемой энергии. Каждый житель Земли в том же 2000 году будет потреблять мощность 3 кВт. Надо заметить, что в развитых странах это значение уже достигнуто, а в США, СССР и ря¬де других стран на одного человека приходится до 10 кВт энергии всех видов. Развивающиеся страны потребляют значительно меньше, так что среднее мировое значение в настоящее время не превышает 2 кВт на человека.
Предполагается, что к 2000 году общая потребляемая электриче¬ская мощность должна удвоиться по отношению к нынешнему уровню и составить (1,8-2,0) 1010кВт (или 20 млрд. кВт). Были предприняты и более глобальные оценки энергопотребления землян в следующем тысячелетии. Большинство экспертов предполагают, что численность населения Земли и потребление энергии должны стабилизироваться на каком-то одном уровне и что произойдет это в середине или конце XXI века. Диапазон оценок такого "стабиль¬ного" потребления электрической мощности довольно широк: от 3-1010 до 1011 кВт, что всего в 3-10 раз больше нынешнего уровня. В таблице 1 приведена приближенная оценка процентной доли отдельных источников энергии в различные периоды развития человечества.
Доля отдельных источников энергии (%)
Таблица 1.
Период Мускульная энергия человека Органические вещества Древесина Уголь Нефть Природный газ Водная энергия Атомная энергия
500 000 лет до н. э. 100 – – – – – – –
2000 г. до н. э. 70 25 5 – – – – –
Около 1500 г. н. э. 10 20 70 – – – – –
1910 г. – 16 16 65 3 – – –
1935 г. – 13 7 55 15 3 5 –
1972 г. – – 10 32 34 18 5 1
1990 г. – – 1 20 33 26 4 16

Альтернативные источники энергии
Ветровая энергия
Уже в III в. до н. э. было известно, что ветер приносит ту или иную погоду. В Японии и Китае были известны розы ветров: изготовленные в виде драконов, они указывали направление ветра. Но главное назначение их было иное: отпугивать злых духов – чужие ветры.
Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории – от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный, да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.
По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через, надлежащим образом, ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования.
Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Учитывая все факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30–40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра.
Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.
В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сеть электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г. Однако после поломки ротора опыт прервался – ротор не стали ремонтировать, поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и в европейских странах.
Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость
.....