В поисках альтернативных источников энергии немало внимания в мире уделяется ветроэнергетике. Ветер служил человечеству в течение тысячелетий и служит сейчас, обеспечивая энергию для парусных судов, для помола зерна, перекачивания воды, производства электроэнергии. Например, в Дании ветроэнергетика покрывает около 2 % потребностей страны в электроэнергии. В США на нескольких станциях работает почти 17 тыс. ветро-агрегатов общей мощностью до 1500 МВт. Ветроэнергетические установки (рис. 297) выпускают, кроме США и Дании, в Великобритании, Канаде, Японии.
Для того чтобы строительство ветроэлектростанции было экономически оправданным, необходимо, чтобы среднегодовая скорость ветра в этом регионе была не менее 6 м/с. В нашей стране ветровые электростанции (ВЭС) построены на побережьях Черного и Азовского морей, в степных регионах, а также в Карпатах и горах Крыма.
Следует обратить внимание на то, что при скорости ветра 33 км/ч удлинение крыла пропеллера в 4 раза (от 15 до 60 м) увеличивает производство энергии в 16 раз. А если крыло длиной 30 м, ветер со скоростью
50 км/ч обеспечивает производство электроэнергии в 26 раз больше, чем ветер со скоростью 17 км/ч. Именно поэтому в инженерном деле склоняются в пользу больших ветродвигателей.
Большинство нынешних больших ветродвигателей рассчитано на работу, если скорость ветра 17-58 км/ч. Ветер со скоростью, менее 17 км/ч, дает мало полезной энергии, а при скоростях свыше 58 км/ч возможно повреждение электрогенератора.
Поэтому в ветроэнергетике не следует рассчитывать на перехват штормовых ветров. Даже если такой ветер и обеспечивает получение намного большего количества энергии, он вызывает слишком сильное давление на крылья и может повредить оборудование электростанции. Кроме того, длительность времени, когда дуют штормовые ветра, настолько мала, что их вклад в суммарное производство энергии несущественен, и это делает подобный риск бессмысленным. Чтобы устранить проблему штормовых ветров, крылья ветродвигателей выгибают особенным образом - для уменьшения сопротивления ветра.
Ветрогенераторы обычно устанавливают на высоких башнях, чтобы пропеллеры были открыты более сильным ветрам, которые дуют на большой высоте. И тяжелое оборудование - коробка передач и генератор -должны размещаться на верхушке мачты.
Еще одну проблему использования энергии от ветродвигателя создает природа самого ветра. Скорость ветра варьирует в широких пределах - от легкого дуновения до мощного порыва. В связи с этим изменяется и число оборотов генератора в секунду. Для удобства переменный ток, который вырабатывается при вращении оси генератора, «выпрямляют», то есть преобразовывают в постоянный, идущий в одном направлении. При больших размерах ветродвигателя постоянный ток в преобразователе меняют на стабильный переменный ток, пригодный для подачи в энергетическую систему. Небольшие же ветродвигатели, наподобие тех, которые используют на изолированных фермах или на морских островах, вместо преобразователя подают «выпрямленный» ток в большие аккумуляторные батареи. Такие аккумуляторы необходимы для запаса электроэнергии на периоды, когда ветер становится недостаточно сильным для производства энергии.
Для поддержания жизненных процессов необходимо поглощать и использовать энергию. К сожалению, использование любого вида энергии и производство электроэнергии обычно сопровождаются образованием многих загрязнителей воды и воздуха. Чтобы избежать разрушения окружающей среды, человечество все больше и больше обращает внимание на экологически чистые виды энергии.
Интересно, что всего 200 лет тому назад человечество, кроме энергии самого человека и животных, владело только тремя видами энергии. Среди них было использование энергии Солнца.
По мере того как снабжение топливом становится менее надежным и более дорогим, солнечный источник энергии становится все более и более привлекательным и экономично выгодным. Повышение цен на нефть и газ является главной причиной того, что человечество опять обратило свое внимание на Солнце.
Солнечная энергия — это кинетическая энергия излучения (в основном света), которое образуется в результате реакций в недрах Солнца.
Поскольку его запасы практически неисчерпаемы (астрономы подсчитали, что Солнце будет «гореть» еще 4—5 млрд лет), солнечная энергия относится к возобновляемым энергоресурсам. В естественных экосистемах только часть солнечной энергии поглощается хлорофиллом, который содержится в листьях растений и используется для фотосинтеза, то есть образования органического вещества из углекислого газа и воды. Растения частично используют для своих потребностей только фотосинтетически активную радиацию, которая в целом составляет почти 50 % суммарной энергии солнечного излучения. Таким образом, излучение улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органических веществ. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех других компонентов экосистем.
Подсчитано, что приблизительно такой же части солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения потребностей транспорта, промышленности и быта не только сейчас, но и в будущем. И даже независимо от того, будем мы ею пользоваться или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится. Однако солнечная энергия попадает на всю поверхность Земли, нигде не достигая особенной интенсивности. Поэтому ее следует уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и преобразовать в такую форму, которую можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных потребностей. Кроме того, надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью, и в облачные дни.
Главное — использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. Учитывая совершенствование технологий и подорожание традиционных энергоресурсов, эта энергия приобретает все новые отрасли применения.
Например, солнечные нагревательные системы (солнечные батареи, солнечные коллекторы) очень рентабельны, и есть смысл включать их в проекты новых домов. Тогда появится возможность перебросить часть угля, газа, мазута, потребляемого в бытовых целях, на потребности промышленности, транспорта. А это решит проблему будущего дефицита сырой нефти, необходимой для производства автомобильного горючего и т. п.
Солнечный коллектор (рис. 298) - это система нагревания воды за счет солнечного излучения. Такие системы являются достаточно распространенными.
Они были разработаны около 200 лет тому назад. Солнечные коллекторы разного типа дают возможность получить тепловую энергию, которая в первую очередь используется для нагревания воды, что особенно актуально в летний период года, когда наблюдается максимальная солнечная активность. Кроме того, в отдельных случаях при построении комбинированных котельных установок тепло от солнечных коллекторов частично можно использовать в разных системах отопления.
Морские приливы и тепло Земли. Это более постоянные источники энергии. Уже теперь в некоторых странах работают экологически безопасные, чистые приливные электростанции. Общая мощность волн Мирового океана составляет 90 000 млрд кВт. Во многих странах - США, Японии, Италии, Исландии — используют и энергию горячих природных источников - гейзеров.
Известно, что на глубине 10 км температура достигает 140-150 °С, и эту энергию можно отводить с помощью пара, используя его для отопления.
Геотермальная энергетика развивается достаточно интенсивно в США, на Филиппинах, в Мексике, Исландии, Италии, Японии. Мощная ГеоТЭС - ГеоТЭСХебер (50 МВт) построена в США . В целом запасы геотермальной энергии составляют 200 ГВт. Геотермальные ресурсы распределены неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.
Биомасса играет доминирующую роль среди других видов альтернативных видов энергии, формируя приблизительно 46 % рынка восстанавливаемых источников энергии. Она может обеспечивать производство тепла, электроэнергии и разных видов газообразного (биогаз), жидкого (биоэтанол, биодизель) и твердого топлива. Технологии переработки биомассы дают возможность также решать проблему утилизации вредных бытовых и промышленных отходов, получать как побочные продукты высококачественные удобрения, строительные и другие полезные материалы. За счет биогаза уже сегодня в странах ЕС получают ежегодно свыше 10 млн МВт • ч электрической и почти 10 млн Гкал тепловой энергии. Лидерами по использованию биогазовых технологий являются такие страны, как Германия, Великобритания, США, Канада, Бразилия, Дания, Китай, Индия и т. п.
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк