?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Источники энергии

energy_0
Сегодня мы даже вряд ли можем себе представить, насколько сильно мы зависим от электричества, к которому подключены наши дома, улицы и города. А ведь буквально 100 лет назад электрификация страны только начала зарождаться и далеко не все даже знали про него. Но мы редко задумываемся над тем, откуда оно берется. В целом, люди понимают, что есть нефть, газ, атомные электростанции и гидро-электростанции, но как это все превращается в бегущие электроны в наших розетках остается черным ящиком. Вот я решила ответить для себя на несколько подобных вопросов и параллельно написать пост, посвященный источникам энергии.




electro_1
Один из самых популярных источников – полезные ископаемые: нефть, уголь, газ. Получение непосредственно энергии из них происходит на теплоэлектростанциях (ТЭЦ) и конденсационных электростанциях (КЭС), главное различие между ними в том, что у первых еще отводится пар для отопления городских построек. Принцип их устройства достаточно прост: топливо сгорает и нагревает воду, которая превращаясь в пар. Пар, в свою очередь раскручивает турбину, превращая тепловую энергию в механическую. Далее в дело вступает генератор – сердце всей электростанции, он производит преобразование механической энергии в электрическую. Генератор состоит из двух частей: ротора и статора, турбина раскручивает ротор с магнитами, создавая вращающееся магнитное поле, под действием которого в неподвижном статоре возникает электрический ток, который по проводам поступает к нам в розетки. Недостатки этого источника всем хорошо известны: загрязнение окружающей среды и выделение парниковых газов.


electro_2
Другой источник – энергия падающего потока воды – был известен еще несколько столетий назад. В Европе жернова мельниц раскручивались именно с помощью речной воды. Для этого реку перегораживали плотиной и оставляли небольшое отверстие, создавая водопад. Под струю воды ставили большое колесо с ковшами по краю и вода, падая с высоты, раскручивала это колесо. Далее, с помощью шестеренок, вращение передавалось на мельничные жернова. Подобные сооружения использовались в кузницах для работы больших молотов, а так же для изготовления бумаги и дубления кожи.

electro_3
По такому же принципу строятся и современные гидроэлектростанции, но, конечно, в больших масштабах. Строят огромную платину, где потоки воды вращают гидротурбины, а они в свою очередь передают вращение на ротор генератора (также как и на ТЭС), где собственно и производится электричество. Этот источник энергии выглядит более экологичным и дружелюбным для нашей планеты, но это только на первый взгляд: для построения платины полностью меняют русло реки, затапливая огромные поля и иссушая долины и леса. Из-за строительства ГЭС под угрозой оказываются целые экосистемы. А еще рыбы, которые исконно использовали эти реки как среду обитания, тоже не сильно радуются этому чистому источнику энергии. Конечно, сам процесс выработки энергии значительно чище, но строительство может нанести значительный урон природе.

electro_4
Аналогом гидроэлектростанции являются станции использующие силу приливов и отливов, они считаются еще более экологичными, так как не требуют значительного изменения близлежащих территорий, но имеют один существенный недостаток: активно работают они только 2 раза в сутки непосредственно во время приливов и отливов, поэтому обычно используются в дополнение к остальным источникам энергии.

electro_5
Завершают тройку традиционных источников энергии атомные электростанции (АЭС). Они по устройству напоминают ТЭС: за счет тепловой энергии воду переводят в пар, который раскручивает паровую турбину и дальше как по нотам. Основное и самое важно отличие – это способ получения тепла. Сердце АЭС – ядерный реактор, где благодаря цепной реакции распада ядер тяжелых металлов происходит мощное выделение тепла. Когда АЭС только набирали свою популярность, они считались самым перспективным (за счет свое дешевизны), безопасным и чистым источником энергии. Действительно, место они занимают относительно мало, не нужно затапливать целые города для строительства плотины, расход топлива и его объем достаточно маленький, и никаких парниковых газов и прочих радостей сгорания традиционного органического топлива. К сожалению, в 80-х годах идиллия была разрушена аварией в Чернобыле и полностью уничтожена после Фукусимы. Не смотря на то, что по числу смертей на выработанный ГигаВатт энергии АЭС находятся в самом конце списка, весь мир повернулся спиной к мирному атому и с большим энтузиазмом взялись за альтернативные источники энергии.

Про альтернативные источники энергии сегодня, наверное, слышал каждый. Пейзажи европейской сельской местности уже много лет украшают ветряки в полях и солнечные батареи на крышах домов.

electro_6
Не смотря на то, что сейчас энергия ветра воспринимается как новый альтернативный источник энергии, использовать его начали уже достаточно давно в виде ветряных мельниц, с которыми пытался сражаться известный Дон. Принцип работы такой же, как и у водяных мельниц, только раскручивает колесо не вода, а ветер. К сожалению, в отличие от воды, ветер дует не постоянно, поэтому развитие этого источника энергии сильно зависит от совершенствования аккумуляторов. Для создания стабильного энергообеспечения целые поля застраиваются огромными ветряками. Их реальный размер я смогла оценить, только когда увидела ночью в Германии, как грузовики перевозят одну его исполинскую лопасть, их обгон занял у нас некоторое время. На побережье, где с ветрами дела обстоят достаточно хорошо, ветряки устанавливают ровными рядами на небольшой глубине, такую картину можно наблюдать, проезжая по известному мосту, соединяющему Данию и Швецию.
electro_65


Не смотря на дружелюбность к природе, этот вид энергии тоже услышал в свой адрес много нелестного. Например, огромные ветряки не только мешают птицам летать, а также в больших полях истребляют целые армии насекомых, тем самым лишая птиц еды, а растения опылителей. В своем маленьком хозяйстве использование классических ветряков с тремя огромными лопастями и горизонтальной осью вращения не всегда удобно, так как для их стабильной работы нужна большая скорость ветра порядка 5 м/с, да и шумят они сильно.

electro_7
Но сегодня уже появилось новое поколение ветряки поменьше, которые удобно использовать для энергообеспечения частного дома. Они работают при скорости ветра от 1 м/с и устанавливать их можно прямо на крыше. Их основное отличие - вертикальная ось вращения – преимущество очевидно, такой ветряк может крутиться ветром любого направления и не требует наличия флюгера, но увы, стоимость их где-то в 10 раз выше традиционных, отчасти это связано со сложной формой лопасти, отчасти, новизной и модой.

electro_8
Другой ветряк пошел еще дальше – он представляет собой несколько «ветроуловителей», которые смотрят во все стороны и собирает воздушный поток в одну трубу, на выходе из которой расположен генератор. По расчетам, его эффективность должна быть выше традиционный ветряков, однако, он довольно плохо работает при малых скоростях ветра.


electro_9
Второй весьма популярный альтернативный источник энергии – солнечные батареи, больше подходят для жарких и солнечных стран. Однако сейчас уже производятся высокоэффективные фотоэлементы, способные работать даже в облачных регионах. Принцип работы солнечной батареи следующий: фотоэлемент состоит из 2-х полупроводников с разной проводимостью (n или электронной проводимостью и p или дырочной проводимостью).
[Немного технических подробностей]В первом проводнике ток создается за счет движения электрона, а во втором за счет движения дырок (атомов, которые лишились электронов), точнее дырки физически не двигаются, а прыгают все те же электроны по свободным дыркам, закрывая их, но при этом получается, что двигаются дырки. Таким образом, в n-слое избыток электронов, а в p-слое избыток дырок, на их границе создается p-n-переходы. К этим полупроводникам подключаются контакты.
Солнечные лучи попадают на n-проводник и выбивают электроны с атомов, нарушая равновесие между полупроводниками и создавая разность потенциалов, т.е. напряжение. Получается что, солнечные батареи, в отличие от других основных источников энергии, производят электричество в одну ступень. Для сравнения ТЭС делает это в две ступени: переводит тепловую энергию сначала в механическую и только потом в электрическую. К сожалению, КПД их тоже достаточно низок, около 100Вт на квадратный метр в солнечную погоду для коммерчески доступных образцов. Поэтому основной областью применения пока являются районы где трудно обеспечить какой-то другой источник питания, например, космическая станция :) .



Еще один важный источник энергии – внутреннее тепло Земли. Я уже писала, как можно отапливать дома, используя подземную тепловую энергию. Но, помимо этого, есть еще целое направление – геотермальная энергетика. В районах с высокой вулканической активностью распространены гейзеры, места где перегретая вода вырывается на поверхность. Можно непосредственно использовать воду гейзеров, так и бурить скважины и циркулировать воду через них для сильного нагрева. Этот источник энергии может быть полезен не только для непосредственного отопления, но и производства электроэнергии все по тому же пути: пар раскручивает турбину, а она приводит в движение ротор генератора, на выходе получаем электричество. Недостаток этого метода в том, что он привязан к геоактивным районам, а вода, поступающая из недр земли, как правило, содержи значительное количество солей токсичных и тяжелых металлов, которые опасны для здоровья и оборудования.

electro_9
Существует еще одна возможность преобразования тепла в электричество, посредством термоэлектрических материалов. В качестве источника тепла может быть всё что угодно, но не редко используется тепло радиоактивного распада, это позволяет поддерживать хоть и небольшую, но приблизительно постоянную и долговременную мощность в несколько десятков или сотен Ватт. Такие установки используются в спутниках и марсоходах. В быту их использование, очевидно затруднено, потому как вряд ли кто-то захочет держать у себя  во дворе полкило плутония.

Сегодня все, что имеет в своем составе био- или эко- автоматически становится модным и популярным, особенно в Европе. Так получилось и с биоэнергетикой, которая основана на производстве энергии из биотоплива.
[Лирическое отступление]Академик Скулачев на своих лекциях жаловался, что его книга «биоэнергетика», посвященная энергетическим процессам в клетках, не достигает целевой аудитории, т.е. студентов, так как раскупается шаманами, магами и экстрасенсами.
Несмотря на современное название, этот вид энергетики является очень древним, ведь торф и древесина тоже попадают под определение биотоплива. Так что все у кого на даче стоит дровяная печь, могут с гордостью назвать себя приверженцами модной биоэнергетики. Конечно, сегодня разнообразие биотоплива намного шире: например, биодизель, который производится из растительных и животных жиров, биоэтанол, который используется как примесь к бензину для заправки машин (эффективность двигателя при этом падает), биогаз, получаемый в результате сбраживания биомассы. 

По источнику биоматериала такое топливо принято разделять на три поколения. К первому поколению относятся виды, для которых непосредственно выращиваются растения. К сожалению, для этого нужны большие сельскохозяйственные ресурсы в виде земли, воды и людей. Ко второму поколению относятся виды, которые получаются в результате переработки ненужной биомассы. Наиболее перспективным сейчас считается третье поколение: получение биометана и других углеводородов из водорослей и фитопланктона, так как они не требуют больших сельскохозяйственных просторов и наращивают биомассу с достаточно большой скоростью. 

electro_91
Принцип использования биотоплива похож на полезные ископаемые: это заправка машин и сжигание для получения тепла и энергии. Так что недостатки очевидны: выделение парниковых газов и загрязнение атмосферы, хотя, конечно, и с меньшей интенсивностью. Отдельно критики любят вспоминать, что для производства биотоплива первого поколения, использовались сельскохозяйственные земли, предназначенные для выращивания еды в голодающих странах, что, конечно, только усугубило ситуацию с нехваткой продовольствия.

На сегодняшний день поиск новых высокоэффективных источников энергии занимает многие умы, ведь кризис традиционного топлива уже не за горами. Например, очень популярна сейчас тема холодного термоядерного синтеза, предложенная Андреа Росси. На основе этого принципа он создал катализатор энергии Росси. Не смотря на то, что у Росси есть итальянский патент на его изобретение, детальное техническое устройство является коммерческой тайной и не проходило независимой экспертизы, хотя автор неоднократно демонстрировал возможности своего детища.
electro_92
Согласно описанию изобретателя, принцип работы выглядит следующим образом: разогретый водород впрыскивается в никелевую стружку, в результате происходит холодный термоядерный синтез с получением меди и выделением большого количества тепла. В теории такая реакция требует очень высоких температур, чтобы произошло слияние ядер, и во время демонстрации не регистрировалось гамма-излучение сопровождающее подобные реакции, поэтому ученые смотрят скептически на заявления Росси. Некоторые заявляют, что, вероятно, действительно происходит какая-то реакция с выделение тепла, но Росси ошибочно принимает ее за термоядерный синтез. После последней демонстрации эксперты очень осторожно заявляют, что никакие известные им химические источники энергии не смогли бы дать такие показатели. Стоит отметить, что Росси не одинок в своих попытках, у него уже появились конкуренты, которые заявляют, что раскрыли секрет и тоже планируют сделать свой продукт. Научный мир с замиранием сердца следит за всей этой эпопеей уже который год как за остросюжетным сериалом.

electro_93
Термояд будоражит умы ученых уже очень давно, и было создано много прототипов подобных устройств, например, наши отечественные ТОКАМАКи (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), но до сих пор никто не смог получить с них положительного баланса энергии. Принцип их работы достаточно прост (если слово вообще «просто» можно употреблять в одном предложении со словом термоядерный), внутри полой камеры-бублика вещество раскаляется до состояния плазмы, которая удерживается магнитным полем и не касается стенок камеры. Нейтроны, разумеется, полем не задерживаются и, ударяясь об стенки камеры передают тепло, которое затем нагревает воду, ну вы поняли :). Перспективы использования такого метода чрезвычайно велики. Начиная с колоссальных вырабатываемых мощностей и заканчивая утилизацией ядерных отходов. Сложности, однако, тоже понятны – жгут плазмы довольно тяжело удерживать, для этого требуется сильное магнитное поле. Конформация плазменного жгута – отдельное направление в исследованиях, предполагается, что существует некая форма жгута, которая обладает большой устойчивостью, а значит не требует слишком большой энергии на удержание.

Сейчас, мировое сообщество строит во Франции новый, самый большой из существующих реактор под названием ITER, который должен продемонстрировать положительный выход, а так же способствовать в исследованиях данного направления. Правда запитать от него ничего не удастся, такая возможность проектом не предусмотрена.

electro_94
К счастью, развитие науки идет не только по пути поиска новых источников энергии, но в сторону уменьшения потребления. Компания Нокиа анонсировала интересый концепт, который уже успели окрестить «вечным мобильником». Nokia E-Cu будет подзаряжаться от любого тепла, в том числе и от тепла рук посредством медного радиатора, который одновременно выполняет функцию задней крышки телефона.


electro_95
В заключении, не могу не вспомнить Симпсонов и супергероя «радиоактивный человек», который борется с злодеями, олицетворяющими другие, менее продвинутые источники энергии.

Comments

( 24 comments — Leave a comment )
Ваня Сельский
Oct. 20th, 2014 06:51 am (UTC)
"Сегодня мы даже вряд ли можем себе представить, насколько сильно мы зависим от электричества, к которому подключены наши дома, улицы и города. "

Э-э-э.. ну ладно, промолчу. :)

"... В целом, люди понимаю, что есть нефть,"

У Вас кажется опечатка в тексте? "В целом, люди понимаюТ, что есть нефть".
sunely_tales
Oct. 20th, 2014 07:10 am (UTC)
Спасибо :-) Исправила :-)
Ваня Сельский
Oct. 20th, 2014 09:19 am (UTC)
Всегда рад помочь :)
donmigel_62
Oct. 20th, 2014 08:17 am (UTC)
А при чём здесь жулик Росси?
2born
Oct. 20th, 2014 09:35 am (UTC)
+1
sunely_tales
Oct. 21st, 2014 03:23 am (UTC)
Жулики в науке, к сожалению, всегда присутствуют. Росси лишь один из примеров. О них полезно помнить, чтобы не превращаться в голых королей, как, например было в истории с Гамовым.

Я, например, с интересом наблюдаю, как научное сообщество пытается подобрать ключик к его таинственному прибору :) А что думаете вы?
donmigel_62
Oct. 21st, 2014 05:08 am (UTC)
Четыре года назад я был окрылён заявлениями Росси и Фокарди. Нет, я не предполагал, что происходит нарушение физических законов, я думал, что у Росси получилась неизвестная LENR. Постоянно мониторил всё, что было связано с Е-Сат. Года три назад даже статью написал. Правда достаточно нейтральную, типа "подождём - увидим".
Мой оптимизм поддерживали заявления Бушнелла и мой разговор с В. Узиковым, теплотехникои-ядерщиком,. Его дочь ездила в Италию на одну из демонстраций. Первые сомнения появились из-за постоянного переноса сроков выпуска генератора и демонстрации в стиле Капанадзе. ). Год назад сомнения переросли в уверенность.

Edited at 2014-10-21 05:09 am (UTC)
sunely_tales
Oct. 21st, 2014 10:00 am (UTC)
Моя история похожа на вашу, будем ждать кульминации этой истории и её финала :)
amazing_girl
Oct. 20th, 2014 09:08 am (UTC)
Супер! Давно мечтала о мобилках и прочих гаджетах, которые заряжались бы без этих противных проводов....
ЗЫ: За моих обожаемых Симпсонов - отдельный вам респект!!!))))))
Ваня Сельский
Oct. 20th, 2014 09:24 am (UTC)
"Супер! Давно мечтала о мобилках и прочих гаджетах, которые заряжались бы без этих противных проводов...."

Ваша мечта давно осуществилась :)

http://survival-tools.ru/product/dynamo-small/
sunely_tales
Oct. 21st, 2014 03:28 am (UTC)
Иван, я смею предположить, что вам не чуждо программирование :)
Ваня Сельский
Oct. 21st, 2014 09:36 am (UTC)
Чуждо, но Вашу галантную подколку оценил :) Смотрите, я злопамятный :Р
sunely_tales
Oct. 21st, 2014 03:24 am (UTC)
Это мечта, наверно, миллиардов живущих на Земле. Тот кто придумает решение, вероятно, озолотится :)
amazing_girl
Oct. 21st, 2014 06:35 am (UTC)
Я придумаю! А что? Иногда гениальные решения приходят в голову совсем обычным людям, пока великие умы не знают "что да как".
А как миллионы получу-первым делом одарю всех-всех своих френдов. Вот, тебе подарю...Феррари!!И велю, чтоб бриллиантами на боковых дверях выложили sunely_tales))))))
sunely_tales
Oct. 21st, 2014 09:56 am (UTC)
Спасибо :-)
Ваня Сельский
Oct. 21st, 2014 09:38 am (UTC)
Мда-а-а...у кого щи пусты, а у кого жемчуг мелкий. Думаю, миллиарды больше заботят другие проблемы. Где достать поесть, например.
sunely_tales
Oct. 21st, 2014 09:57 am (UTC)
Может ли так быть, что это разные миллиарды? Мне иногда приходится наблюдать удивительные картины пренебрежения к собственному питению в угоду модным гаджетам. Правда, не берусь судить о распространенности такого поведения.
Ваня Сельский
Oct. 21st, 2014 11:32 am (UTC)
"Может ли так быть, что это разные миллиарды? Мне иногда приходится наблюдать удивительные картины пренебрежения к собственному питению в угоду модным гаджетам. "

Вы знаете кого-то, кто питается сухим черным хлебом, откладывая деньги на свежий айфон? :О Честно говоря, про такие случаи не слышал.

"Правда, не берусь судить о распространенности такого поведения. "

Я имел ввиду что-то вроде этого.

http://newsland.com/news/detail/id/496677/

Но даже у относительно сытых остальных шести миллиардов жителей Земли (по крайне мере, у подавляющего большинства) думаю, есть проблемы поважнее, чем вопрос «как избавится от проводов при зарядке своей мобилки» :)
sunely_tales
Oct. 22nd, 2014 09:39 am (UTC)
Ну, скорее, ситуация обратная - покупка айфона и питание черным хлебом. Импульсное поведение и всё такое :)

В конце-концов можно было предположить, что у людей есть вещи поважнее, чем новые планшет и смартфон, но каждый год прибыли компаний говорят обратное.

В первую очередь речь, конечно, шла о золотом миллиарде. Голодающим беднягам не купить мобильник в принципе.
Ваня Сельский
Oct. 22nd, 2014 11:11 am (UTC)
"Ну, скорее, ситуация обратная - покупка айфона и питание черным хлебом. Импульсное поведение и всё такое :)"

А-а-а, ну такое иногда наблюдал :)

"В конце-концов можно было предположить, что у людей есть вещи поважнее, чем новые планшет и смартфон, но каждый год прибыли компаний говорят обратное."

(Сумма разума на Земле - величина постоянная, а население-то растет) :)

"В первую очередь речь, конечно, шла о золотом миллиарде. Голодающим беднягам не купить мобильник в принципе. "

Ясненько.
2born
Oct. 20th, 2014 09:35 am (UTC)
Скулачев и в самой книжке на это жаловался)))
sunely_tales
Oct. 21st, 2014 03:26 am (UTC)
Ага, у него, видимо, стиль такой - жаловаться понемногу :) Хотя, в целом, это довольно приятный в общении собеседник.
imigmaker
Oct. 22nd, 2014 05:06 am (UTC)
А что с его молодильными глазными каплями? Бизнес идет или проблемы как у Росси? :)
sunely_tales
Oct. 22nd, 2014 09:34 am (UTC)
Не знаю как сейчас, но в кризис у него было не всё гладко, инвестор захотел всё заморозить.

Вспомнился почему-то Петрик, про него вообще ходила забавная шутка, попробую процитировать по памяти "У него есть несколько статей, и некоторые из них относятся к УК РФ. Видимо у последних достаточно большой индекс цитирования"..
( 24 comments — Leave a comment )

Profile

sunely_tales
sunely_tales

Latest Month

April 2016
S M T W T F S
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930

Tags

Powered by LiveJournal.com
Designed by yoksel