Реферат: Физика и энергетика
Заметим, что использование всего лишь 0.0125% этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5% - полностью покрыть потребности на перспективу.
К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250Вт/м. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного света излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км!
Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты.
Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счёт солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчётам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1км, требует примерно 10 тонн алюминия.
Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1,17 10тонн.
Из написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае? Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики (после 2100 года) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за счёт солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется "собирать" солнечную энергию на площади от 1 10 до 3 10км. В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет 13 10 км.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечёт за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчёты показывают, что для производства 1 Мвт год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетики на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.
Пока ещё электрической энергии, рожденными солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые открыли, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.
Ветровая энергия:
Огромная энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергия ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветра от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все её потребности и электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнерготехнику 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, покрывает всего одну тысячную мировых потребностей энергии.
Техника 20 века открыла совершенно новые возможности для ветроэнергетики, задача которой стала другой-получении электроэнергии. В начале века Н.Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя, на основе которой могли быть созданы высокопроизводительные установки, способные получать энергию от самого слабого ветерка. Появилось множество проектов ветроагрегатов, несравненно более совершенных, чем старые ветряные мельницы. В новых проектах используются достижения многих отраслей знания.
В наши дни к созданию конструкций ветроколеса-сердце любой ветроэнергетической установки-привлекаются специалисты самолетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.
Энергия рек:
Многие тысячелетия, верно, служит человеку энергия, заключенная в текущей воде. Запасы её на Земле колоссальны. Недаром некоторые ученные считают, что наши планеты правильнее было бы называть не Земля, а Вода-ведь около трёх четвертей поверхности планеты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии служит Мировой океан, поглощающий большую её часть, поступаю 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 её запасов. Раньше всего люди научились энергию рек.
Но когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса, правда, уже в другом обличье – в виде водяной турбины. Электрические генераторы, производящие энергию, необходимо было вращать, а это вполне успешно могла делать вода, тем более что много вековой опыт у неё уже имелся.
Можно считать, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 году.
Преимущества гидроэлектростанций очевидны - постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колёс мог бы оказать не малую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка маленькой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки турбины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним окажется ничтожным. Поэтому в начале 20 века было построено несколько гидроэлектростанций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумок успешно действовала довольно крупная электростанция с многозначительным названием "Белый уголь". Это было лишь началом.
Уже в историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волоховская 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 гидроэнергетических 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 большие промышленные комплексы.
Но пока людям служит лишь не большая 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 колоссальное количество энергии.
Энергия земли:
Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно не большого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится - нет пока у людей возможности обуздать не покорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявление энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.
Маленькая европейская страна Исландия - "страна льда" в дословном переводе - полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли - других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами – фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из - под земли. И хотя не исландцам она принадлежит приоритет принадлежит в использовании тепла подземных источников, жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно. Столица - Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счёт подземных источников.
Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем ещё маломощная, была построена в 1904году в небольшом итальянском городке Лардерелли, который ещё в 1827году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали всё новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигала уже внушительные величины - 360тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, её мощность 160 тысяч киловатт. В 120 километрах от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500тысяч киловатт.
Атомная энергия:
Открытие излучения урана впоследствии стало ключом к энергетическим кладовым природы. Главным, сразу заинтересовавшим исследователей был вопрос: откуда берётся энергия лучей, испускаемых ураном, и почему уран всегда чуточку теплее окружающей среды? Под сомнение ставился либо закон сохранения энергии, либо утвержденный народом принцип неизменности атомов? Огромная научная смелость требовалась от ученых, которые перешагнули границы привычного, отказались от устоявшихся представлений. Такими смельчаками оказались молодые ученые Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди. Два года упорного труда по излучению радиоактивности привёл их к революционному тогда выводу: атомы некоторых элементов подвержены распаду, сопровождающемуся излучению энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях. Невиданными темпами развивается атомная энергетика. За тридцать лет общая мощность ядерных энергоблоков выросла с 5 тысяч до 23 миллионов киловатт! Некоторые ученые высказывают своё мнение, что к 21 веку около половины всей электроэнергии в мире будет вырабатываться на атомных электростанциях. В принципе энергетический ядерный реактор устроен довольно просто - в нём, так же как и в обычном котле, вода превращается в пар. Для этого используют энергию, выделяющуюся при цепной реакции распадов атома урана или другого ядерного топлива. На атомной электростанции нет большого парового котла, состоящего из тысячи километров стальных трубок, по которым при огромном давлении циркулирует вода, превращаясь в пар. Эту махину заменил небольшой ядерный реактор. Самый распространенный в настоящее время тип реактора водографитовый. Ещё одна распространённая конструкция реакторов - так называемые водо-водяные. В них вода не только отбирает тепло от твэлов, но и служит замедлителем нейтронов вместо графита. Конструкторы довели мощность таких реакторов до миллиона киловатт. Но всё-таки будущее нашей энергетики, по-видимому, останется за третьим типом реакторов, принцип работы и конструкции которых предложены учеными - реакторами на быстрых нейтронах. Их называют ещё реакторами- размножителями.
Нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества. Она, безусловно, будет развиваться и впредь, безотказно поставляю столь необходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительные меры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а учёные и инженеры сумеют найти необходимые решения.
Источники:
1. Володин В., Хазановский П. "Энергия, век двадцать первый".
2. Голдин А. "Океаны энергии".