Альтернативные источники энергии

содержание

Оглавление                                                                                                                      Страница

Часть первая: -----------------------------------------------------------------------------------------1-3

«История развития традиционной энергетики – с чего всё начиналось.»

Часть вторая: ------------------------------------------------------------------------------------------4-6

«Традиционные источники энергии»

Часть третья: ------------------------------------------------------------------------------------------7-9

« Атомная энергетика.»

Часть четвёртая:-----------------------------------------------------------------------------------10-25

« Альтернативные источники энергии.»

Часть пятая: ------------------------------------------------------------------------------------------26-28

 «Экономические перспективы.»

Часть шестая:  ----------------------------------------------------------------------------------------29-30

Заключение.

Приложение. -------------------------------------------------------------------------------------------31

Это интересно.

Список использованной литературы----------------------------------------------------------------32

1.Часть первая:

«История развития традиционной энергетики – с чего всё начиналось».

   Сегодня нам может казаться, что развитие и совершенствование человека происходило невообразимо медленно. Ему в буквальном смысле слова приходилось ждать милостей от природы. Он был практически беззащитен перед холодом, ему непрестанно угрожали дикие звери, его жизнь постоянно висела на волоске. Но постепенно человек развился настолько, что сумел найти оружие, которое в сочетании со способностью мыслить и творить окончательно возвысило его над всем живым окружением. 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. Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились его использовать.  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.

             Энергия - слово греческое, в переводе означающее деятельность. Термином "энергия" обозначают единую скалярную меру различных форм движения материи. Законы физики утверждают: та работа, которую можно получить в реальных машинах и использовать на наши нужды, будет всегда меньше энергии, заключенной в энергоносителе. Энергия - 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 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. 15 июля 1987 года численность населения Земли перешла 5-миллиардный рубеж (прогнозы 1975 года утверждали, что это произойдет только после 1990 года!). Ожидается, что к 2009 году население составит не меньше 7 млрд. человек, а на каждого жителя будет приходиться в год в среднем около 29 МВт· 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 2009 году будет приходиться  29МВт·ч всех видов вырабатываемой энергии. Каждый житель Земли в том же 2009 году  будет потреблять мощность 3 кВт. Надо заметить, что в развитых странах это значение уже достигнуто, а в США, России и ряде 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 2009 году общая потребляемая электрическая 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 "стабильного" потребления электрической мощности довольно широк: от 3-1010 до 1011 кВт, что всего в 3-10 раз больше нынешнего уровня. Очевидно, при этом учитывались 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. В этой таблице приведена приближенная оценка процентной доли отдельных источников энергии в различные периоды развития человечества.

Итак, ресурсы практически неисчерпаемы! А потребности? По-видимому, они должны соответствовать не только земным нуждам, но и нуждам космического строительства, космических сообщений по трассе Земля - орбита, межорбитальных сообщений, освоения Луны, планет и астероидов. В дальнейшем, по-видимому, потребуются огромные энергетические затраты на обнаружение и установление связи с другими цивилизациями Вселенной. Мир наполнен энергией, которая может быть использована для совершения работы разного характера.

                           Доля отдельных источников энергии (%)

 Современное промышленное общество расходует огромное количество энергии. Серьёзные опасения вызывает проблема истощения и рационального использования её запасов. Несмотря на то, что в Канаде, США, Японии и странах Западной Европы проживает лишь 12,5 % населения Земли, на их долю приходится 60% процентов мировых энергетических ресурсов. И наоборот, оставшиеся страны, население которых достигает 87,5 % жителей планеты, потребляют всего 40% этих ресурсов. Большая часть мировых запасов энергии связана с ископаемыми видами топлива ( углём, нефтью и природным газом). В настоящее время запасы такого топлива сокращаются ужасающими темпами.

              Жители самых бедных стран большей частью используют возобновляемые источники энергии (например, древесина). Однако сегодня их явно недостаточно для удовлетворения нужд населения всей планеты, которое ежегодно увеличивается примерно на 90 млн. человек.

                Существуют и практически неисчерпаемые источники энергии. Человечество торопится их использовать до того, как истощатся запасы ископаемого топлива.

                                   Сравнение типов электростанций:

Часть вторая:

«Традиционные источники энергии».

  Традиционная добыча энергии происходит через ископаемое топливо ( приложении № 4)

Каменный уголь.     Уголь считается самой необычной породой по двум причинам. Во-первых, он образуется из органического материала некогда живой ткани – и, во-вторых, в отличие от других пород, он может гореть и выделять тепло. Уголь обеспечивает около 35%  вырабатываемой в мире энергии. Типы: существуют три основных типа ископаемого угля. Степень его изменения по сравнению с изначальным торфом определяет уровень его метаморфизма. (или углефикации).  

Ископаемый уголь

↙                                  ↓                                   ↘

Лигнит                Битуминозный уголь            Антрацит

Бурый уголь.          Углерод – 50%. Самый       Углерод – 98%.

Углерод – 30%         распространённый.           Высокая твёрдость и

                                                                                                 чистота.

Использование: Уголь в основном применяется в качестве топлива, служит сырьём для различных изделий.  Месторождения: В США – 30% мировых запасов, В России и в СНГ – 28%, в Китае – 10 %.     Проблемы:  1. Риск для жизни при добыче и обработке. 2. Кислотные дожди. 3. Углекислый газ – основной продукт сжигания угля. Он относится к газам, являющимся причиной «парникового эффекта». 4. Помимо ущерба окружающей среде, сжигание угля отражается на здоровье людей. В одном из недавних докладов ООН «Глобальное экономическое обозрение» сообщается: «В 11 крупных городах Китая дым и мельчайшие частицы, выделяющиеся при сгорании угля, служит причиной более 50 000 преждевременных смертей и 400 000 новых случаев заболевания хроническим бронхитом».

Нефть.     Нефть является основой современной промышленности и цивилизации. Она же была и остаётся причиной многих международных конфликтов, а её повсеместное использование наносит серьёзный ущерб  окружающей среде.  Нефть обеспечивает около 40% вырабатываемой в мире энергии. Происхождение:  Нефть образовалась много миллионов лет назад в результате разложения планктона. Она состоит из двух элементов – водорода и углерода.  

                                                Виды нефти

↙                               ↓                                  ↘

Жидкая нефть             Природный газ           Асфальтены и битумы.

Распределение:  Ближний восток (Саудовская Аравия) – 65% мировых запасов  нефти, Азия – 4%, Латинская Америка (Венесуэла и Мексика) – 13%, Канада и США – около  4%, Африка – 6%, Европа, станы СНГ и Россия – 9%. Проблемы: 1.Выбросы в море при авариях. 2. Использование бензина в качестве топлива приводит к загрязнению воздуха.  3. Ежедневно в мире расходуется 75 миллионов баррилей нефти. Из мировых запасов нефти, объем которых оценивают в 2 триллиона баррелей, около 900 миллиардов уже использовано. При нынешнем уровне нефтедобычи запасов нефти еще должно хватить на 40 лет.

Природный газ. Впервые газ для освещения применили в Древнем Китае – за много веков до того, как его стали использовать для этой и других целей во всём мире. Природный газ обеспечивает около 20% вырабатываемой в мире энергии. Он образовался так же, как и нефть. Природный газ состоит в основном из метана.

История использования: В 1618 французский химик Жан Тардье продемонстрировал, как светит лампа на газе, полученном путём нагревания угля. Однако его оборудование оказалось слишком опасным для практического применения, и широкомасштабная добыча газа началась лишь в конце XVIII века и продолжается до сих пор.

Типы газа:

Угольный газ. Состоит приблизительно на 50% из углерода и на 30% из метана, а также из азота, окиси углерода и небольших количества углеводородов, углекислого газа и кислорода. Его получают нагреванием угля. Размягчаясь, уголь выделяет находящийся в нём газ.

Нефтяной газ. Первоначально нефтяной (масляный) газ получали из сырой нефти, однако впоследствии были разработаны методы его производства из других видов нефтяного сырья. Нефтяной газ представляет собой смесь углеводородов, в том числе метана, ацетилена и бензола. Он содержит немного примесей и иногда смешивается с угольным газом.

Природный газ. Запасы залегают вместе с нефтяными месторождениями. В состав природного газа входят метан, этан и незначительные по объёму примеси пропана, бутана и азота.

Добыча:  Добыча газа ведётся параллельно с добычей нефти с одного и того же месторождения. Первое место в мире по добыче природного газа занимает Россия – 650 млрд. м3 в год. Далее следуют США (487 млрд. м3), Канада (96 млрд. м3), Нидерланды (80 млрд. м3) и Великобритания (45 млрд. м3).

Часть третья:  « Атомная энергетика».

На сегодняшний день энергия атома широко используется во многих отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии, сельском хозяйстве, медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные изотопы.

При исследовании распада атомных ядер оказалось, что каждое ядро весит меньше, чем сумма масс его протонов и нейтронов. Это объясняется тем, что при объединении протонов и нейтронов в ядро выделяется много энергии. Убыль массы ядер на 1 г эквивалентна такому количеству тепловой энергии, которое получилось бы при сжигании 300 вагонов каменного угля. Не удивительно поэтому, что исследователи приложили все силы, стремясь найти ключ, который позволил бы “открыть” атомное ядро и высвободить скрытую в нем огромную энергию.

Атомные электростанции (АЭС) - это третий «кит» в системе современной мировой энергетике. Техническая обеспеченность АЭС являются крупнейшим достижением научно-технического прогресса. В случае их безаварийной работы не производится практически никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Правда, в результате работы АЭС образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность для всего живого. Обнадеживает тот факт, что объем радиоактивных отходов довольно мал, их можно хранить в таких условиях, которые гарантируют отсутствие утечки. АЭС много экономичнее обычных тепловых электростанций, а, самое главное, при их правильной  эксплуатации – это чистые источники энергии.

В 1990 году атомными электростанциями мира производилось 16% всей электроэнергии. Такие электростанции работали в 31 стране и строились еще в 6 странах. Ядерный сектор энергетики наиболее значителен во Франции, Бельгии, Финляндии, Швеции, Болгарии и Швейцарии, т.е. в тех промышленно развитых странах, где недостаточно природных энергоресурсов. Эти страны производят от четверти до половины своей электроэнергии на АЭС. США производят на АЭС только восьмую часть своей электpоэнеpгии, но это составляет около одной пятой ее мирового производства.

Принцип работы атомной электростанции

         Ядерный реактор - устройство, (приложение № 1) в котором протекает управляемая цепная реакция. При этом распад атомных ядер служит регулируемым источником и тепла, и нейтронов. Атомные реакторы на тепловых нейтронах различаются между собой главным образом по двум признакам: какие вещества используются в качестве замедлителя нейтронов, и какие в качестве теплоносителя, с помощью которого производится отвод тепла из активной зоны реактора. Наибольшее распространение в настоящее время имеют водяные реакторы, в которых обычная вода служит и замедлителем нейтронов, и теплоносителем, уран-графитовые реакторы (замедлитель - графит, теплоноситель - обычная вода), газографитовые реакторы (замедлитель - графит, теплоноситель - газ, часто углекислота), тяжеловодные реакторы (замедлитель - тяжелая вода, теплоноситель - либо тяжелая, либо обычная вода).

Ни рисунке ниже представлена принципиальная схема водяного реактора. Активная зона реактора представляет собой толстостенный сосуд, в котором находятся вода и погруженные в нее сборки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). Тепло, выделяемое ТВЭЛами, забирается водой, температура которой значительно повышается. Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона киловатт. Могучие энергетические агрегаты установлены на Запорожской, Балаковской и других атомных электростанциях. Вскоре реакторы такой конструкции, видимо, догонят по мощности и рекордсмена -полуторамиллионик с Игналинской АЭС.

             Но все-таки будущее ядерной энергетики, по-видимому, останется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструкция которых предложены учеными, - реакторами на быстрых нейтронах. Обычные реакторы используют замедленные нейтроны, которые вызывают цепную реакцию в довольно редком изотопе - уране-235, которого в природном уране всего около одного процента. Именно поэтому приходится строить огромные заводы, на которых буквально просеивают атомы урана, выбирая из них атомы лишь одного сорта урана-235. Остальной уран в обычных реакторах использоваться не может. Возникает вопрос: а хватит ли этого редкого изотопа урана на сколько-нибудь продолжительное время или же человечество вновь столкнется с проблемой нехватки энергетических ресурсов? Более тридцати лет назад эта проблема была поставлена перед коллективом лаборатории Физико-энергетического института. Она была решена. Руководителем лаборатории Александром Ильичом Лейпунским была предложена конструкция реактора на быстрых нейтронах. В 1955 году была построена первая такая установка. Преимущества реакторов на быстрых нейтронах очевидны. В них для получения энергии можно использовать все запасы природных урана и тория, а они огромны - только в Мировом океане растворено более четырех миллиардов тонн урана.                 Проблемы:   Развивая ядерную энергетику в интересах экономики, нельзя забывать и о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут привести к катастрофическим последствиям. Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. Наиболее характерные из них: в 1957 г. – в Уиндскейле (Англия), в 1986 г. – на Чернобыльской АЭС (бывший СССР, сейчас Украина).

 Нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества. Она безусловно будет развиваться и впредь, без отказано поставляя столь необходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительные меры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а ученые и инженеры сумеют найти необходимые решения.            

какие бывают ядерные реакторы:

                 Кипящие реакторы                                            Уран-графитовые реакторы

Часть четвёртая:

«Альтернативные источники энергии».

Сейчас в мире всё больше учёных и инженеров занимаются поисками новых, нетрадиционных источников, которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот по снабжению человечества энергией. Решение этой задачи исследователи ищут на разных путях. Самым заманчивым, конечно, является использование вечных, возобновляемых источников энергии – энергии текущей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр, солнца.

Ловцы солнечных лучей.

Солнце – очень выгодный альтернативный источник энергии. Энергия, заставляющая Солнце светить, вырабатывается в его ядре, где существует огромное давление и температура достигает 15 млн. градусов. Происходит синтез ядер водорода и образование ядер гелия. В результате ядерного синтеза выделяется громадное количество энергии. Всего за 3 дня солнце посылает Земле столько энергии, сколько содержится во всех запасах топлива. Жизнь на Земле невозможна без энергии солнечных лучей. Солнечная энергия всё шире используется в различных установках солнечных отопительных системах, опреснителях солёной морской воды… Солнце служит источником энергии и для солнечных батарей, установленных почти на всех космических кораблях и автоматических станциях. Сейчас учёные работают над тем, чтобы использование солнечного тепла стало возможным для каждого человека.

     Поймать энергию Солнца можно по-разному:

Первый путь – наиболее прямой и естественный: приманить солнечное тепло для нагрева теплоносителя. Потом теплоноситель можно использовать для получения различных видов энергии, в первую очередь электрической. Солнечные нагреватели включают в себя коробку с зеркалом, закрытую прозрачным материалом (например, стеклом). Они образуют как бы «парниковый эффект» и выделяется тепло.

Второй путь. Учёные Национального университета в Канберре предложили использовать солнечное тепло для разложения аммиака на водород и азот. Если этим компонентам дать возможность соединиться, выделится тепло, которое используют для работы электростанций. Эту энергию можно запасать впрок. Химический метод довольно заманчив. Установки существуют по всему миру. Основной узел установки – параболическое зеркало диаметром 1 метр, которое постоянно направлено на Солнце. В фокусе зеркала концентрированные солнечные лучи создают  температуру 800-1000 градусов по Фаренгейту. Этой температуры достаточно для разложения серного ангидрида на сернистый ангидрид и кислород, которые закачиваются в специальные ёмкости. Это тепло можно использовать для различных нагревателей.

        Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы. Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят и они работают.

С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Кажется, самим здравым смыслом определено ее место. Уж если где и строить такие станции, так это в первую очередь в краю курортов, санаториев, домов отдыха, туристских маршрутов; в краю, где надо много энергии, но еще важнее сохранить в чистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего чистота воздуха, целебно для человека. Крымская СЭС невелика - мощность  всего 5 МВт.

На острове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10-20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули,  подсоединяя их друг к другу.          

Несколько  иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные - до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.

     Но электростанция на солнечных батареях вблизи экватора с суточной выработкой 500 МВт·ч  при КПД=10% потребовала бы эффективной поверхности около 500000 м2. 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.    

Тем не менее, солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле - в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (радиоаппаратура, электрические бритвы и зажигалки и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.).

     Идет работа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечных электростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам использования АИ ( приложение № 2)

упряжке – ветер.

   С незапамятных времён энергия ветра верно служила людям. Люди постоянно ощущали на себе воздействие ветра, хотя долгое время не могли объяснить многие явления. Наблюдением за ветрами занимались еще в Древней Греции. Уже в III в. до н. э. было известно, что ветер приносит ту или иную погоду. Правда, греки определяли только направление ветра. В Афинах около 100 г. до н. э. построили так называемую Башню ветров с укрепленной на ней “розой ветров” (башня существует по сей день, нет только “розы”). В Японии и Китае также были известны розы ветров: изготовленные в виде драконов, они указывали направление ветра. Но главное назначение их было иное: отпугивать злых духов - чужие ветры. Были изобретены парус, ветряная мельница и множество других изобретений облегчивших и улучшивших жизнь человека, обеспечивающих ему комфорт.  

     Огромна энергия движущихся масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры – от лёгкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живём. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все её потребности в электроэнергии! Почему же столь обильный, доступный да экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Всё дело, конечно, в непостоянстве, изменчивости ветра.

Ветер в приземном слое образуется вследствие неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. Поскольку поверхность Земли неоднородна, то даже на одной и той же широте суша и водные пространства, горы и лесные массивы, пустыни и болотистые низины нагреваются по-разному. В течение дня над морями и океанами воздух остается сравнительно холодным, поскольку значительная часть энергии солнечного излучения расходуется на испарение воды или поглощается ею. Над сушей воздух прогревается больше, расширяется, снижает свою массовую плотность и устремляется в более высокие слои над землей. Его замещают более холодные, а, следовательно, более плотные воздушные массы, располагавшиеся над водными пространствами, что и приводит к возникновению ветра как направленному перемещению больших масс воздуха. Эти местные ветры, образующиеся в прибрежных зонах, носят название бризов. Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов вызывают циркуляцию более крупного масштаба, чем бризы, называемые муссонами. Они делятся на морские и материковые, отличаются, как правило, большими скоростями и в течение ночи меняют свое направление. Аналогичные процессы происходят в гористых местах и долинах вследствие разных уровней нагрева экваториальных зон и полюсов Земли и многих других факторов. Характер циркуляции земной атмосферы усложняется вследствие сил инерции, возникающих при вращении Земли. Они вызывают различные отклонения воздушных течений, образуется множество циркуляции, в большей или меньшей мере взаимодействующих между собой. Таким образом, тепловая энергия, непрерывно поступающая от Солнца, преобразуется в кинетическую энергию движения в атмосфере огромных масс воздуха.

Воздушный поток, как и любое движущееся тело, обладает энергией движения, или запасом кинетической энергии. Кинетическая энергия с помощью ветроколеса или другого рабочего органа преобразуется в механическую энергию. Она может быть преобразована в электрическую, тепловую или механическую энергию, а также в энергию сжатого воздуха. ( приложение № 3 стр-27)

Хранение ветряной энергии.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Американский ученый Уильям Херонимус считает, что производить водород за счет энергии ветра лучше всего па море. С этой целью он предлагает установить у берега высокие мачты с ветродвигателями диаметром 60 м и генераторами. 13 тысяч таких установок могли бы разместиться вдоль побережья Новой Англии (северо-восток США) и “ловить” преобладающие восточные ветры. Постоянный ток от ветроэлектрических генераторов будет питать расположенные на дне электролизные установки, откуда водород будет по подводному трубопроводу подаваться на сушу.

           Сегодня Казахстан  значительно отстаёт от развитых стран в использовании экологически чистых  возобновляемых энергоресурсов, в том числе и ветра. У нас действуют всего три- четыре десятка небольших ветроэлектростанций.  Они дают менее 0,1% вырабатываемой в стране энергии. А таких станций на огромных просторах могло бы быть гораздо больше. Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, прибрежная полоса Дальнего Востока относятся к самым ветреным зонам, где среднегодовая скорость ветра на высоте 80 метров составляет 11-12 м/с.   Поэтому ветроэнергетике в нашей стране должно принадлежать будущее.                                                                                      

Многие тысячелетия верно служит человеку энергия, заключенная в текущей воде. Запасы ее на Земле колоссальны. Недаром некоторые ученые считают, что нашу планету правильнее было бы называть не Земля, а Вода - ведь около трех четвертей поверхности планеты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии служит Мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. Здесь плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские течения. Рождаются могучие реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. Понятно, что человечество в поисках энергии не могло пройти мимо столь гигантских ее запасов. Раньше всего люди научились использовать энергию рек.  (Приложение № 3 стр -25)

Вода была первым источником энергии, и, вероятно, первой машиной, в которой человек использовал энергию воды, была примитивная водяная турбина. Свыше 2000 лет назад горцы на Ближнем Востоке уже пользовались водяным колесом в виде вала с лопатками. Суть устройства сводилась к следующему. Поток воды, отведенный из ручья или речки, давит на лопатки, передавая им свою кинетическую энергию. Лопатки приходят в движение, а поскольку они жестко скреплены с палом, вал вращается. С ним в свою очередь скреплен мельничный жернов, который вместе с валом вращается по отношению к неподвижному нижнему жернову. Именно так работали первые “механизированные” мельницы для зерна. Но их сооружали только в горных районах, где есть речки и ручьи с большим перепадом и сильным напором. На медленно текущих потоках водяные колеса с горизонтально размещенными лопатками малоэффективны.

       Шагом вперед было водяное колесо Витрувия (1 в. н. э.). Это вертикальное колесо с большими лопатками и горизонтальным валом. Вал колеса связан деревянными зубчатыми колесами с вертикальным валом, на котором сидит мельничный жернов. Подобные мельницы и сегодня можно встретить на Малом Дунае; они перемалывают в час до 200 кг зерна.

Почти полторы тысячи лет после распада Римской империи водяные колеса служили основным источником энергии для всевозможных производственных процессов в Европе, заменяя физический труд человека.

Устройства, в которых энергия воды используется для совершения работы, принято называть водяными двигателями. Простейшие и самые древние из них - описанные выше водяные колеса. Различают колеса с верхним, средним и нижним подводом воды.

В современной гидроэлектростанции масса воды с большой скоростью устремляется на лопатки турбин. Вода из-за плотины течет - через защитную сетку и регулируемый затвор - по стальному трубопроводу к турбине, над которой установлен генератор. Механическая энергия воды посредством турбины передается генераторам и в них преобразуется в электрическую. После совершения работы вода стекает в реку через постепенно расширяющийся туннель, теряя при этом свою скорость.

Гидроэлектростанции классифицируются по мощности на мелкие (с установленной электрической мощностью до 0,2 МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20 МВт) и крупные (свыше 20 МВт). Второй критерий, по которому разделяются гидроэлектростанции, -  напор. Различают низконапорные ГЭС (напор до 10 м), среднего напора (до 100 м) и высоконапорные (свыше 100 м). В редких случаях плотины высоконапорных ГЭС достигают высоты 240 м. Такие плотины сосредоточивают перед турбинами водную энергию, накапливая воду и поднимая ее уровень.

Затраты на строительство ГЭС велики, но они компенсируются тем, что не приходится платить (во всяком случае, в явной форме) за источник энергии - воду. Мощность современных ГЭС, спроектированных на высоком инженерном уровне, превышает 100 МВт, а К.П.Д. составляет 95% (водяные колеса имеют КПД = 50-85%). Такая мощность достигается при довольно малых скоростях вращения ротора  (порядка 100 оборотов в минуту), поэтому современные гидротурбины поражают своими размерами. Например, рабочее колесо турбины Волжской ГЭС им. В. И. Ленина имеет высоту около 10 м и весит 420 т. Турбина - энергетически очень выгодная машина, потому что вода легко и просто меняет поступательное движение на вращательное. Тот же принцип часто используют и в машинах, которые внешне совсем не похожи на водяное колесо.

Преимущества гидроэлектростанций очевидны - постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным.

Поэтому в начале XX века было построено всего несколько гидроэлектростанций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумок успешно действовала довольно крупная электростанция с многозначительным названием "Белый уголь". Уже в историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем - началось строительство знаменитой Днепровской. Дальновидная энергетическая политика, проводящаяся в нашей стране, привела к тому, что у нас, как ни в одной стране мира, развита система мощных гидроэлектрических станций. Ни одно государство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братская, Саяно-Шушенская ГЭС. Эти станции, дающие буквально океаны энергии, стали центрами, вокруг которых развились мощные промышленные комплексы. Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии

                  Тепловая энергия океана

        Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности  занимают моря и океаны - акватория Тихого океана составляет 180 млн. км2, Атлантического - 93 млн. км2, Индийского - 75 млн. км2. Однако сейчас люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Последние десятилетия характеризуется определенными успехами в использовании энергии океана. Созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС - начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion -  преобразование тепловой энергии океана в электрическую энергию). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная -53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее - на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.

Три насоса потребовались из следующего расчета: один - для подачи теплой виды из океана, второй - для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий - для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак.

Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случаи необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба-судно. Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорные постановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьма серьезной проблемой. Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа.

Новые станции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются без судна. Это - одна грандиозная труба, в верхней части которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства для преобразования энергии. Верхний конец трубопровода холодной воды расположится в океане на глубине 25-50 м. Машинный зал проектируется вокруг трубы на глубине около 100 м. Там будут установлены турбоагрегаты, работающие на парах аммиака, а также все остальное оборудование. Масса всего сооружения превышает 300 тыс. т. Труба-монстр, уходящая почти на километр в холодную глубину океана, а в ее верхней части что-то вроде маленького островка. И никакого судна, кроме, конечно, обычных судов, необходимых для обслуживания системы и для связи с берегом.

                                      Энергия приливов и отливов.

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление - ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные поды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 часов 12 минут 30 секунд. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив. Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна, наступает слабый прилив. Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней. Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив - отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением , где        р - плотность воды, g - ускорение силы тяжести, S - площадь приливного бассейна, R - разность уровней при приливе.

     Для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые “бассейны”. Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2-20  МВт.

Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию (ПЭС) начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию. Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волну в Магеллановом проливе, по правительство не утвердило дорогостоящий проект.

С 1967 года во Франции на приливах высотой до 13 метров работает ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с годовой отдачей 540 тыс. кВт в час.

Советский инженер Бернштейн разработал удобный способ постройки блоков ПЭС, буксируемых на плаву в нужные места, и рассчитал рентабельную процедуру включения ПЭС в энергосети в часы их максимальной нагрузки потребителями. Его идеи проверены на ПЭС, построенной в 1968 году в Кислой Губе около Мурманска; своей очереди ждет ПЭС на 6 млн. кВт в Мезенском заливе на Баренцевом море.

                    Вода ещё не раз послужит человеку добрым помощником              

Часть пятая:

«Экономические перспективы».

                           История:   Целью данного проекта является создание условий для масштабного привлечения инвестиций, как отечественных, так и иностранных. По замыслу инициаторов проекта на избранных путём конкурсного отбора территориях в кратчайшие сроки должны быть созданы современные промышленные и научные территориально-экономические кластеры, отвечающие мировым стандартам, способные обеспечить привлечение высоких технологий в соответствующих отраслях.  

Инфраструктура: На самой же территории, выделенной под размещение ОЭЗ, есть практически всё необходимое — железнодорожная ветка, подъездные пути, электростанция, газопроводы высокого давления, очистные сооружения. Сегодня продолжают строиться дополнительные объекты для обеспечения функционирования зоны — инженерные сети, водопровод, канализация, трансформаторные подстанции. Поэтому резиденты, которые будут возводить в ОЭЗ свои предприятия, вместе с участками земли получат и возможность пользоваться всей необходимой производственной инфраструктурой.

Экономика:     Предусмотрены особые меры государственной поддержки:

На территории ОЭЗ действует режим свободной таможенной зоны. Иностранные товары ввозятся без взимания таможенных пошлин и НДС.

Освобождение резидентов ОЭЗ от налогов на имущество организации в течение 5 лет.

Освобождение резидентов ОЭЗ от налогов на транспорт организации в течение 5 лет.

Другие налоговые послабления в плане налогов на прибыль, возможность применения специального коэффициента к амортизации основных средств.

Для обеспечения новых производств трудовыми ресурсами будет использоваться трудовой потенциал городов, а также районов и близлежащих областей.

 Особая экономическая зона промышленно – производственного типа

Проблемы и влияние ОЭЗ  на область:

Сокращение сельскохозяйственных (с/х)  угодий.

Интенсификация использования энергетических ресурсов за счёт необходимости:

Энергообеспечения ОЭЗ.

Интенсивной эксплуатации транспортных средств.

Эксплуатации очистных сооружений и предприятий.

Ухудшение состояния воздушной среды города и области сбросом загрязняющих веществ в атмосферу транспортом, производственными и теплоэнергетическими объектами, также за счёт повышенной запылённости атмосферы   и неизбежных аварий на транспорте и производстве:

                         Пожар на НЛМК

Загрязнение весьма отрицательно влияет на состояние верхних дыхательных путей и общего здоровья Деградация водных ресурсов и загрязнение водных объектов через воздушную среду, сбросом неочищенных и недоочищенных сточных вод.

Утрата и сокращение мест отдыха, зелёных массивов.

Возникновение и воздействие на организм человека электромагнитных полей и излучений.

Часть    шестая:

«Заключение и выводы».

Энергия – это движущая сила любого производства. Тот факт, что в распоряжении человека оказалось большое количество относительно дешевой энергии, в значительной степени способствовало индустриализации и развитию общества. Однако в настоящее время при огромной численности населения и производство, и потребление энергии становится потенциально опасным. Наряду с локальными экологическими последствиями, сопровождающимися загрязнением воздуха и воды, эрозией почвы, существует опасность изменения мирового климата в результате действия парникового эффекта.

Человечество стоит перед дилеммой: с одной стороны, без энергии нельзя обеспечить  благополучия людей, а с другой – сохранение существующих темпов ее производства и потребления может привести к разрушению окружающей среды, серьезному ущербу здоровья человека.

 Сегодня около половины мирового энергобаланса приходится на долю нефти, около трети - на долю газа и атома (примерно по одной шестой) и около одной пятой - на долю угля. На все остальные источники энергии остается всего несколько процентов. Совершенно очевидно, что без тепловых и атомных электростанций на современном этапе человечество обойтись не в состоянии, и все же по возможности там, где есть, следует внедрять альтернативные источники энергии, чтобы смягчить неизбежный переход от традиционной энергетики к альтернативной. Тогда будет жизненно важно, сколько солнечных батарей успеет вступить в действие, сколько заработает “мини-ГЭС” и приливных станций, открывающих дорогу тысячам других, сколько цепочек ветряков встанет по горам и сколько цепочек волновых буйков закачается у побережий.

Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце, радиоактивные процессы в недрах Земли нагревают ее жидкое ядро, влияют на подвижность материковых плит.

           Первая половина 20 века ознаменовалась крупнейшей победой науки – техническим решением задачи использования громадных запасов энергии тяжелых атомных ядер – урана и тория. Этого вида топлива, сжигаемого в

атомных котлах, не так уж много в земной коре. Если всю энергетику земного шара перевести на него, то при современных темпах роста потребления энергии урана и тория хватит, лишь на 100 – 200 лет. За этот же срок исчерпаются запасы угля и нефти.

        Вторая половина 20 века стала веком термоядерной энергии. В термоядерных реакциях происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий. Быстро протекающие термоядерные реакции осуществляются в водородных бомбах. В термоядерных реакторах, безусловно, будет использоваться не обычный, а тяжелый водород.  В результате использования водорода с атомным весом, отличным от  наиболее часто встречающегося в природе,  получается, что литр обычной воды по энергии окажется равноценным примерно 400 литрам нефти. Элементарные расчеты показывают, что дейтерия (изотоп водорода, который будет использоваться в подобных реакциях) хватит на земле на сотни лет при самом бурном развитии энергетики, в результате чего проблема заботы о топливе отпадет практически навсегда.

И все-таки вновь и вновь мы обращаемся к вопросу, из какого материала и какими методами в будущем человечество должно получать энергию? На сегодня существует несколько основных концепций решения проблемы.

Интенсивное развитие электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная.

Фундаментальные научные исследования и разработки в области водородных технологий, топливных элементов и возобновляемых источников энергии.

К 2020 году не менее 20% всей потребляемой в европейских странах  электроэнергии должно производиться с использованием возобновляемых источников – прежде всего, ветра, солнца и воды.

Переход к использованию в качестве ядерного топлива тория-232, который в природе более распространен, нежели уран.

Освоение термоядерных реакций, во время которых происходит выделение энергии в процессе превращения водорода в гелий.

      В настоящее время наиболее разумным представляется развитие энергетики в расширении сети урановых и уран-ториевых атомных станций в период решения проблемы управления термоядерной реакцией.

     Однако, главная проблема современной энергетики – не истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая обстановка: еще задолго до того, как будут использованы все мыслимые ресурсы, разразиться

экологическая катастрофа, которая превратит Землю в планету, совершенно не приспособленную для жизни человека.

Вывод:

Энергетические источники текущего века будут представлены следующими видами: ядерными реакторами, двигателями на водородном топливе, высотными ветряными электрогенераторами, солнечными батареями и волновыми и приливными электростанциями. Все эти энергетические источники должны быть объединены в общую сеть, опутывающую наш земной шар.

        Литература:

1.Бернштейн Л. Б. «Приливные электростанции в современной энергетике», М., 1961

2.Баланчевадзе В. И., Барановский и др.; под ред.  Дьякова. «Энергетика сегодня и завтра»  – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.

3.Шефтер  Я.И. «Использование энергии ветра», 2 издание.., перераб, и доп. Энергоатомиздат.

4.Шейдлин А. Е. «Новая энергетика»,  – М.: Наука, 1987. – 463 с.

5.Юдасин Л. С. «Энергетика: проблемы и надежды» – М.: Просвещение, 1990. – 207с.

6.Вершинский Н. В.  «Энергия океана» – М. Наука,  1986 – 144с.

7. В. Володин,  П. Хазановский      «Энергия, век двадцать первый» ; издательство «Горизонты познания», 1989 год.

8. Интернет, средства массовой информации (СМИ).

9. Газета «Физика».

10. Научно-популярный журнал «Древо познания»