Энергия
Введение
Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад,
когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был
источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей,
лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов,
технологическим средством и т.д.
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.
Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь появился в Древней
Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены
методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением,
сохранением огня и рациональным использованием топлива.
Сейчас известно, что древесина - это аккумулированная с помощью
фотосинтеза солнечная энергия. При сгорании каждого килограмма сухой
древесины выделяется около 20 000 к Дж тепла, теплота сгорания бурого угля
равна примерно 13 000 кДж/кг, антрацита 25 000 кДж/кг, нефти и
нефтепродуктов 42 000 кДж/кг, а природного газа 45 000 кДж/кг. Самой
высокой теплотой сгорания обладает водород 120 000 кДж/кг.
Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с
каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти,
угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана
и тория, из которого можно получить в реакторах-размножителях плутоний.
Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако
управляемые термоядерные реакции пока не освоены, и неизвестно когда они
будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е.
без участия в этом процессе реакторов деления В связи с указанными
проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных
энергоресурсов, в первую очередь солнечной, ветровой, геотермальной
энергии, наряду с внедрением энергосберегающих технологий.
Среди возобновляемых источников энергии солнечная радиация по
масштабам ресурсов, экологической чистоте и повсеместной распространенности
наиболее перспективна.
Впервые на практическую возможность использования людьми огромной
энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики
К.Э. Циолковский в 1912 году во второй части своей книги: “Исследования
мировых пространств реактивными приборами”. Он писал: “Реактивные приборы
завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию, в два
миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле”.
У нас есть не только Земля, но и весь необъятный Космос, ресурсы
которого разнообразны и неисчерпаемы. Оптимисты уверены - наступит время,
когда все наиболее энергоемкие и вредные для людей и других живых
организмов производства будут располагаться в космическом пространстве, а
Земля - необычайно красивая и ухоженная “колыбель разума” - станет
использоваться только для отдыха, лечения и некоторых безвредных для
окружающей среды научных исследований.
Энергия солнца может быть использована как в земных условиях, так и в
космосе. Наземные солнечные электростанции следует строить в районах
расположенных как можно ближе к экватору с большим количеством солнечных
дней. В настоящее время солнечную энергию экономически целесообразно
использовать для горячего водоснабжения сезонных потребителей типа
спортивно-оздоровительных учреждений, баз отдыха, дачных поселков, а также
для обогрева открытых и закрытых плавательных бассейнов. В сухом жарком
климате Средней Азии рационально использовать установки для охлаждения
зданий и сооружений, сельскохозяйственных объектов, птичников, хранения
скоропортящихся продуктов, медицинских препаратов и т.д.
Первые опыты использования солнечной энергии
В 1600 г. во Франции был создан первый солнечный двигатель, работавший
на нагретом воздухе и использовавшийся для перекачки воды. В конце XVII в.
ведущий французский химик А. Лавуазье создал первую солнечную печь, в
которой достигалась температура в 1650 оС и нагревались образцы исследуемых
материалов в вакууме и защитной атмосфере, а также были изучены свойства
углерода и платины. В 1866 г. француз А. Мушо построил в Алжире несколько
крупных солнечных концентраторов и использовал их для дистилляции воды и
приводов насосов. На всемирной выставке в Париже в 1878 г. А. Мушо
продемонстрировал солнечную печь для приготовления пищи, в которой 0,5 кг
мяса можно было сварить за 20 минут. В 1833 г. в США Дж. Эриксон построил
солнечный воздушный двигатель с параболоцилиндрическим концентратором
размером 4,8* 3,3 м. Первый плоский коллектор солнечной энергии был
построен французом Ш.А. Тельером. Он имел площадь 20 м 2 и использовался в
тепловом двигателе, работавшем на аммиаке. В 1885г. Была предложена схема
солнечной установки с плоским коллектором для подачи воды, причем он был
смонтирован на крыше пристройки к дому.
Первая крупномасштабная установка для дистилляции воды была построена
в Чили в 1871 г. американским инженером Ч. Уилсоном. Она эксплуатировалась
в течение 30 лет, поставляя питьевую воду для рудника.
В 1890 г. профессор В.К. Церасский в Москве осуществил процесс
плавления металлов солнечной энергией, сфокусированной параболоидным
зеркалом, в фокусе которого температура превышала 3000 оС.
Преобразование солнечной энергии в теплоту, работу и электричество
Солнце - гигантское светило, имеющее диаметр 1392 тыс. км. Его масса
(2*1030 кг) в 333 тыс. раз превышает массу Земли, а объем в 1,3 млн. раз
больше объема Земли. Химический состав Солнца: 81,76 % водорода, 18,14 %
гелия и 0,1% азота. Средняя плотность вещества Солнца равна 1400 кг/м3.
Внутри Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий
и ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую
Солнцем в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной
длины.
Солнечную энергию люди используют с древнейших времен. Еще в 212г.
н.э.с помощью концентрированных солнечных лучей зажигали священный огонь у
храмов. Согласно легенде Приблизительно в то же время греческий ученый
Архимед при защите родного города поджег паруса римского флота.
Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник
экологически чистой энергии.
Верхней границы атмосферы Земли за год достигает поток солнечной
энергии в количестве 5,6*1024 Дж. Атмосфера Земли отражает 35 % этой
энергии обратно в космос, а остальная энергия расходуется на нагрев земной
поверхности, испарительно-осадочный цикл и образование волн в морях и
океанах, воздушных и океанских течений и ветра.
Среднегодовое количество солнечной энергии, поступающей за 1 день на
1м2 поверхности Земли, колеблется от 7,2 МДж/м2 на севере до 21,4 МДж/м2 в
пустынях и тропиках.
Солнечная энергия может быть преобразована в тепловую, механическую и
электрическую энергию, использована в химических и биологических процессах.
Солнечные установки находят применение в системах отопления и охлаждения
жилых и общественных зданий, в технологических процессах, протекающих при
низких, средних и высоких температурах. Они используются для получения
горячей воды, опреснения морской или минерализированной воды, для сушки
материалов и сельскохозяйственных продуктов и т.п. Благодаря солнечной
энергии осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят
различные фотохимические процессы.
Известны методы термодинамического преобразования солнечной энергии в
электрическую, основанные на использовании циклов тепловых двигателей,
термоэлектрического и термоэмиссионного процессов, а также прямые методы
фотоэлектрического, фотогальванического и фотоэмиссионного преобразований.
Наибольшее практическое применение получили фотоэлектрические
преобразователи и системы термодинамического преобразования с применением
тепловых двигателей.
Солнечная энергия преобразуется в электрическую на солнечных
электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для
улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в
теплоту и электроэнергию. Для эффективной работы СЭС требуется аккумулятор
теплоты и система автоматического управления.
Улавливание и преобразование солнечной энергии в теплоту
осуществляется с помощью оптической системы отражателей и приемника
сконцентрированной солнечной энергии, используемой для получения водяного
пара или нагрева газообразного или жидкометаллического теплоносителя
(рабочего тела).
Для размещения солнечных электростанций лучше всего подходят
засушливые и пустынные зоны.
На поверхность самых больших пустынь мира общей площадью 20 млн.км2
(площадь Сахары 7 млн. км2 ) за год поступает около 5*1016 кВт*ч солнечной
энергии. При эффективности преобразования солнечной энергии в
электрическую, равной 10%, достаточно использовать всего 1 % территории
пустынных зон для размещения СЭС, чтобы обеспечить современный мировой
уровень энергопотребления.
Башенные и модульные электростанции
В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух
типов: СЭС башенного типа и СЭС распределенного (модульного) типа.
Идея, лежащая в основе работы СЭС башенного типа, была высказана
более 350 лет назад, однако строительство СЭС этого типа началось только в
1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в
США, Западной Европе, СССР и в других странах.
В !985 г. в п. Щелкино Крымской области была введена в эксплуатацию
первая в СССР солнечная электростанция СЭС-5 электрической мощностью 5 МВт;
1600 гелиостатов (плоских зеркал) площадью 25,5 м2 каждый, имеющих
коэффициент отражения 0,71, концентрируют солнечную энергию на центральный
приемник в виде открытого цилиндра, установленного на башне высотой 89 м и
служащего парогенератором.
[pic]
В башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов,
обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за
Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей.
