Альтернативні джерела енергії. Фізика, реферати, рефераты, реферат

04.08.2015

Альтернативні джерела енергії

Зміст

Введення 3

Розділ 1. Світ шукає енергію. 4

Передмова 5

Енергія — з чого все почалося 8

Скільки людям потрібно енергії 12

Розділ 2. Альтернативні джерела енергії. 15

Вітрова енергія. 16

Зберігання вітрової енергії 19

Воднева енергетика 40

Сучасні і перспективні методи виробництва водню 41

Використання водню 42

Висновок 44

Список літератури 46

Вступ

Енергія — не тільки одне з найчастіше обговорюваних сьогодні понять; крім свого основного фізичного (а в ширшому сенсі — природничонаукового) змісту, вона має численні економічні, технічні, політичні і інші аспекти.

Людству потрібна енергія, причому потреби в ній збільшуються з кожним роком. Разом з тим запаси традиційних природних палив (нафти, вугілля, газу і ін) скінченна. Кінцеві також і запаси ядерного палива — урану і торію, з якого можна отримувати в реакторах-размножителях плутоній. Практично невичерпні запаси термоядерного палива — водню, проте керовані термоядерні реакції поки не освоєні і невідомо, коли вони будуть використані для промислового отримання енергії в чистому вигляді, т.тобто без участі в цьому процесі реакторів ділення. Залишаються два шляхи: строга економія при витрачанні енергоресурсів і використання нетрадиційних поновлюваних джерел енергії.

Дана дипломна робота є коротким, але обширним оглядом сучасного стану енергоресурсів людства. У роботі розглянутий розвиток енергетики, як галузі народного господарства, еволюція джерел енергії, а також проблеми освоєння і використання нових ресурсів енергії (альтернативні джерела енергії). Мета роботи — перш за все ознайомитися з сучасним положенням справ в цій незвичайно широкій проблематиці, аналіз нових шляхів отримання практично корисних форм енергії.

До нових форм первинної енергії, розглянутих у нашій дипломній роботі в першу чергу відносяться: сонячна і геотермальна енергія, приливна, атомна, енергія вітру і енергія хвиль. На відміну від викопних палив ці форми енергії не обмежені геологічно накопиченими запасами (якщо атомну енергію розглядати разом з термоядерною). Це означає, що їх використання і споживання не веде до неминучого вичерпання запасів.

Розглянуті в роботі нові схеми перетворення енергії можна об’єднати єдиним терміном «екоенергетики», під яким маються на увазі будь-які методи отримання чистої енергії, що не викликають забруднення навколишнього середовища.

Розділ 1.

Світ шукає енергію

Передмова

Жоден вид енергії не обходиться так дорого, як її недолік.

Гомі Баба, 1964.

Це вислів відомого індійського ученого ніколи не звучав так актуально, як в наші дні, коли людство, не зважаючи на величезні фінансові витрати, докладає всі зусилля для пошуку нових шляхів отримання енергії.

Проблеми, пов’язані з походженням, економічністю, технічним освоєнням і способами використання різних джерел енергії, були і будуть невід’ємною частиною життя на наший планеті. Прямо або побічно з ними стикається кожен житель Землі. Розуміння принципів виробництва і споживання енергії складає необхідну передумову для успішного вирішення набувають все велику гостроту проблем сучасності і в ще більшому ступені — найближчого майбутнього.

Так за чим же зупинка? Учені і винахідники вже давно розробили численні способи виробництва енергії, в першу чергу електричної. Давайте тоді будувати все більше і більше електростанцій, і енергії буде стільки, скільки знадобиться! Таке, здавалося б, очевидне рішення складної задачі, виявляється, таїть в собі немало підводних каменів.

Невблаганні закони природи стверджують, що отримати енергію, придатну для використання, можна тільки за рахунок її перетворень з інших форм. Вічні двигуни, нібито що проводять енергію і що нізвідки її не беруть, на жаль, неможливі. А структура світового енергогосподарства до сьогоднішнього дня склалася таким чином, що чотири з кожних п’яти проведених кіловат виходять в принципі тим же способом, яким користувалася первісна людина для зігрівання, тобто при спалюванні палива, або при використанні запасеної в нім хімічної енергії, перетворенні її в електричну на теплових електростанціях.

Звичайно, способи спалювання палива стали набагато складнішими і досконало.

Нові фактори — збільшені ціни на нафту, швидкий розвиток атомної енергетики, зростання вимог до захисту навколишнього середовища, зажадали нового підходу до енергетики.

У розробці Енергетичної програми взяли участь найвизначніші вчені нашої країни, фахівці різних міністерств і відомств. За допомогою новітніх математичних моделей електронно-обчислювальні машини розрахували декілька сотень варіантів структури майбутнього енергетичного балансу країни. Були знайдені принципові рішення, що визначили стратегію розвитку енергетики країни на прийдешні десятиліття.

Хоча в основі енергетики найближчого майбутнього залишиться теплоенергетика на поновлюваних ресурсах, структура її зміниться. Має скоротитися використання нафти. Істотно зросте виробництво електроенергії на атомних електростанціях. Розпочнеться використання поки ще не займаних гігантських запасів дешевих вугілля, наприклад, в Кузнецькому, Кансько-Ачинському, Экибастузском басейнах. Широко буде застосовуватися природний газ, запаси якого в країні набагато перевершують запаси в інших країнах.

Енергетична програма країни — основа нашої техніки і економіки напередодні 21 століття.

Але вчені заглядають і вперед, за межі строків, встановлених Енергетичною програмою. На порозі 21 століття, і вони тверезо віддають собі відлік в реальностях третього тисячоліття. На жаль, запаси нафти, газу, вугілля зовсім не нескінченні. Природі, щоб створити ці запаси, було потрібно мільйони років, витрачені вони будуть за сотні років. Сьогодні в світі сталі серйозно замислюватися над тим, як не допустити хижацького розграбування земних багатств. Адже лише за цієї умови запасів палива може вистачити на століття. На жаль, багато нафтовидобувних країн живуть сьогоднішнім днем. Вони нещадно витрачають даровані їм природою нафтові запаси. Зараз багато з цих країн, особливо в районі Персидської затоки, буквально купаються в золоті, не замислюючись, що через декілька десятків років ці запаси вичерпаються. Що ж відбудеться тоді -, а це рано чи пізно станеться, — коли родовища нафти і газу будуть вичерпані? Відбулося підвищення цін на нафту, необхідну не тільки енергетиці, але і транспорту, і хімії, примусило задуматися про інші види палива, придатні для заміни нафті і газу. Особливо замислювалися тоді ті країни, де немає власних запасів нафти і газу і яким доводиться їх купувати.

А поки в світі все більше вчених інженерів займаються пошуками нових, нетрадиційних джерел, які могли б узяти на себе хоч би частина турбот по постачанню людства енергією. Рішення цієї задачі дослідники шукають на різних шляхах. Найбільш привабливим, звичайно, є використання вічних, поновлюваних джерел енергії-енергії поточної води і вітру, океанських приливів і відливів, тепла земних надр, сонця. Багато уваги приділяється розвитку атомної енергетики, учені шукають способи відтворення на Землі процесів, що протікають в зірках і забезпечують їх колосальними запасами енергії.

Енергія — з чого все почалося

Сьогодні нам може здаватися, що розвиток і вдосконалення людини відбувався неймовірно поволі. Йому в буквальному розумінні слова доводилося чекати милостей від природи. Він був практично беззахисний перед холодом, йому невпинно загрожували дикі звіри, його життя постійно висіло на волоску. Але поступово людина розвинулася настільки, що зумів знайти зброю, яка у поєднанні із здатністю мислити і творити остаточно прославило його над всім живим оточенням. Спочатку вогонь здобували випадково — наприклад, з палаючих дерев, в які ударила блискавка, потім стали здобувати свідомо: за рахунок тертя один об одного двох відповідних шматків дерева чоловік вперше запалив вогонь 80-150 тисяч років назад. Життєдайне, таємничий, вселяє впевненість і почуття гордості ВОГОНЬ.

Після цього люди вже не відмовлялися від можливості використовувати вогонь в боротьбі проти суворих холодів і хижих звірів, для приготування з трудом здобутої їжі. Скільки спритності, наполегливість, досвіду та і просто везіння це вимагало! Уявімо собі людину, оточеного незайманою природою — без споруд, які б його захищали, без знання хоч би елементарних фізичних законів, із запасом слів, що не перевищує декількох десятків. (До речі, чи багато хто з нас, навіть володіють солідною науковою підготовкою, змогли б запалити вогонь, не вдаючись до яких-небудь технічних засобів-хоча б сірників?) До цього відкриття людина йшла дуже довго і розповсюджувалося Воно повільно, але ознаменувало собою один з найважливіших переломних етапів в історії цивілізації.

Минав час. Люди навчилися отримувати тепло, але ста ре мали ніякої силою, крім власних м’язів, яка допомагала б їм підкорити собі природу. І все ж поступово, мало-помалу вони стали використовувати силу приручених тварин, вітру і води. За даними істориків, перші тяглові тварини була запряжені у плуг близько 5000 років тому. Згадка про перший використання водної енергії — запуск першої млини з колесом, що приводиться в рух водяним потоком,- відноситься до початку нашого літочислення. Однак потрібна ще тисяча років, перш ніж цей винахід отримало розповсюдження. А найдавніші з відомих сьогодні вітряних млинів в Європа були побудовані в XI ст.

впродовж сторіч ступінь використання нових джерел енергії — домашніх тварин, вітру і води — залишалася дуже низькою. Головним же джерелом енергії, за допомогою якої людина будувала житло, обробляв поля, «подорожував», захищався і нападала, служила сила його власних рук і ніг. І так тривало приблизно до середини нашого тисячоліття. Правда, вже в 1470 р. був спущений на воду перший великий чотирищогловий корабель; близько 1500 р. геніальний Леонардо да Вінчі запропонував не тільки вельми дотепну модель ткацького верстата, але і проект споруди літаючої машини. Йому ж належать багато інших, для того часу просто фантастичні ідеї і задуми, здійснення яких повинне було сприяти розширенню знань і продуктивних сил. Але справжній перелом в технічній думці людства наступив порівняно недавно, небагато чим більше трьох сторіч тому.

Одним з перших гігантів на шляху наукового прогресу людства, поза сумнівом, був Ісаак Ньютон. Цей видатний англійський природодослідник все своє довге життя і неабиякий талант присвятив павуку: фізиці, астрономії і математиці. Він сформулював основні закони класичної механіки, розробив теорію тяжіння, заклав основи гідродинаміки і акустики, значною мірою сприяв розвитку оптики, разом з Лейбніцем створив початки теорії числення нескінченно малих і теорії симетричних функцій. Фізику XVIII і XIX сторіч по праву називають ньютонівською. Праці Ісаака Ньютона багато в чому допомогли помножити силу людських м’язів і творчі можливості людського мозку.

Слідом за кембриджськими дослідженнями Ньютона в Лондоні в 1633 р. виходить книга «Сто прикладів винаходів». Її автором був мало кому відомий сьогодні лорд Едвард Сомерсет (маркіз Вустер). Один з прикладів, наведених у цій книзі під номером 68, настільки нагадує водяний насос з паровим приводом, що багато фахівці приписують Сомерсета честь винаходу парової машини.

Промислова революція — так ми часто називаємо цю епоху великих відкриттів — істотно змінила перебіг життя на наший планеті. Одним з її наслідків було остаточне падіння феодалізму, який вже не міг пристосуватися до розвитку нових продуктивних сил, і зміцнення капіталістичних виробничих відносин. Джеймс Уатт винайшов парову машину, яка розкрутила колесо історії до небувалих раніше обертів.

Парову машину низького тиску Уатта вдосконалювали багато майстри й інженери. Серед них слід виділити американця Олівера Еванса. Подолавши багато перешкод, цей талановитий механік, повний ентузіазму і сміливих ідей, в 1801 р, приступив до спорудження малої парової машини, в якій тиск пари в десять разів перевищувало атмосферний. Вже перші дві машини вийшли надзвичайно вдалими, і в 1802 р. Еванс відкрив у Філадельфії перший завод парових машин високого тиску. Він поставив замовникам до 50 машин потужністю від 7,4 до 29,4 кВт (10-40 л. с.).

У 1807 р. американський винахідник Роберт Фултон сконструював перший пароплав «Клермонт», який здійснював регулярні рейси по річці Гудзон між Нью-Йорком і Олбані. Успіх «Клермонта» виявився настільки переконливим, що в 1819 р. в США був спущений на воду морської пароплав.

Англійська технік Джордж Стефенсон в 1823 р. заснував завод з виготовлення рухомого складу для громадського транспорту, і в 1825 р. — через шість років після смерті Уатта — на трасі Стоктон — Дарлінгтон почала діяти перша залізниця.

У наші дні парову машину скоро можна буде побачити тільки у технічних музеях, але й там ми будемо дивитися на неї з повагою.

Італійський фізик Алессандро Вольта народився в 1745 р. Він продовжив експерименти свого земляка Луїджі Гальвані і прославився винаходом електричної батареї (1800). На його честь ми називаємо основну одиницю електричного напруги вольт. (В). Вольтову батарею-так званий елемент-складали два різних провідника електричного струму (електроди), занурені в рідину (електроліт), через яку протікав електричний струм. В якості електродів Вольта використовував мідь і цинк, а електролітом служила солона вода. Довгим і важким був шлях від цього першого джерела постійного струму до сучасної електрифікації більшій частині нашої планети. Зупинимося на деяких знаменні події з історії електрики.

Першим переконливим доказом корисності вольтова елемента було винахід електричного телеграфу, яке найчастіше приписують німецькому лікарю і натуралістові Самуелю Земмерингу (1809). Через два роки англійському фізику і хіміку Гемфрі Деві вдалося отримати між двома вугільними електродами електричну дугу-світиться струмінь електрично заряджених частинок надзвичайно високої температури. Деві був автором і ряду інших відкриттів зароджується в області науки-електрохімії, що вивчає зв’язок між електричними і хімічними процесами і явищами.

Потім було безліч відкриттів, пов’язаних з магнітними властивостями електричного струму. Французький фізик Андре Ампер став основоположником нової науки — вчення про електромагнетизм. Звідси залишався один крок до створення електродвигуна, Цей вирішальний крок допомогли зробити великий англійський фізик і хімік, колишній учень палітурника Майкл Фарадей, німецький фізик, що жив і працював у Росії, Герман Якобі і багато інших відомих і невідомих механіків, фізики і хіміки. Перші електродвигуни працювали від вдосконалених елементів вольтів. Вони володіли малою потужністю і поступово були витіснені двигунами змінного струму. Для цього потрібно було створити нові джерела такого струму — генератори, а потім турбіни, щоб приводити їх в рух.

Шлях до загальної електрифікації проходив через безліч крупних і дрібних відкриттів і винаходів. Але це був логічний і цілеспрямований шлях. Електричну енергію легко можна передавати на великі відстані і безпосередньо використовувати для найрізноманітніших цілей. Всі колишні машини і механізми вимагали «палива», тобто джерела енергії, безпосередньо на місці: парова машина не в змозі працювати без достатньої кількості палива, вітряний млин — без вітру, водяний млин — без потоку води. А електричний двигун працює і за сотні кілометрів від джерела споживаної ним енергії.

Скільки людям потрібно енергії

Народження енергетики відбулося декілька мільйонів років тому, коли люди навчилися використовувати вогонь. Вогонь давав їм тепло і світло, був джерелом натхнення і оптимізму, зброєю проти ворогів і диких звірів, лікувальним засобом, помічником в землеробстві, консервантом продуктів, технологічним засобом і т. д.

впродовж багатьох років вогонь підтримувався шляхом спалювання рослинних енергоносіїв (деревини, чагарників, очерету, трави, сухих водоростей і т.п.), а потім була виявлена можливість використовувати для підтримки вогню викопні речовини: кам’яне вугілля, нафта, сланці, торф.

Прекрасний міф про Прометея, який подарував людям вогонь, з’явився в древній Греції значно пізніше того, як у багатьох частинах світу були освоєні методи досить нелюдського поводження з вогнем, його отриманням і гасінням, збереженням вогню і раціональним використанням палива.

Зараз відомо, що деревина — це акумульована за допомогою фотосинтезу сонячна енергія. При згорянні кожного кілограму сухої деревини виділяється близько 20 000 кДж тепла (ця величина в теплотехніці іменується теплотою згоряння). Нагадаємо також, що теплота згоряння бурого кута дорівнює приблизно 13000 кДж/кг, антрациту 25000 кДж/кг, нафти і нафтопродуктів 42000 кДж/кг, а природного газу 45000 кДж/кг. Самої високою теплотою згоряння має водень -120000 кДж/кг

Настав час пояснити, що ж таке енергія, тобто величина, вимірювана килоджоулями. Відома і інша фізична величина — робота, що має ту ж розмірність, що і енергія, Навіщо потрібні два різних поняття?

Виявляється, питання має принципове значення. Енергія — слово грецьке, що означає в перекладі діяльність. Терміном «енергія» позначають єдину скалярну міру різних форм руху матерії. Енергію можна отримати при згоранні 1кг вугілля або 1кг нафти, які називаються енергоносіями. Закони фізики затверджують: та робота, яку можна отримати в реальних машинах і використовувати на наші потреби, буде завжди менше енергії, укладеної в енергоносії. Енергія — це, по суті справи, енергетичний потенціал (або просто потенціал), а робота — це та частина потенціалу, яка дає корисний ефект. Різницю між енергією і роботою називають диссипированной (або рассеявшейся) енергією. До цих пір за традицією ще застосовують поняття потенційної і кінетичної енергії, хоча насправді із-за величезної різноманітності видів енергії було б доцільно користуватися єдиним терміном — енергія. Таким чином, робота здійснюється в процесі перетворення одних видів енергії в інших і характеризує корисну її частину, отриману в процесі такого перетворення. Розсіяна в процесі здійснення роботи енергія незмінно перетворюється на тепло, яке повідомляється навколишньому простору. Оскільки процеси перетворення одних видів енергії в інших нескінченні, будь-яка робота врешті-решт переходить в тепло, тобто знецінюється. Це означає, що чим більше людство здобуває вугілля, нафти і інших енергоресурсів, тим більше воно зрештою нагріває навколишнє середовище.

Прогноз зростання потреби в енергії найчастіше пов’язують із зростанням чисельності населення Землі. При цьому припускають, що на кожного жителя рівень отриманої енергії буде також збільшуватися. 15 липня 1987 року чисельність населення Землі перейшла 5-мільярдний рубіж (прогнози 1975 року стверджували, що це відбудеться тільки після 1990 року!). Очікується, що до 2000 року населення складе не менше 6 млрд. чоловік, а на кожного жителя припадатиме на рік в середньому близько 29 МВт·год одержуваної енергії, в той час як загальна річна потреба в ній складе 20-200 млрд. МВт·год.

Таким чином, можна сказати, що на одну людину в 2000 році буде припадати 29МВт·год всіх видів вироблюваної енергії. Кожен житель Землі в тому ж 2000 році буде споживати потужність 3 кВт. Треба зауважити, що в розвинених країнах це значення вже досягнуто, а в США, СРСР і ряду інших країн на одну людину припадає до 10 кВт енергії всіх видів. Країни, що розвиваються, споживають значно менше, так що середнє світове значення у даний час не перевищує 2 кВт на людину.

Передбачається, що до 2000 року загальна електрична потужність повинна подвоїтися по відношенню до нинішнього рівня і скласти (1,8-2,0) 1010кВт (або 20 млрд. кВт). Були зроблені і більш глобальні оцінки енергоспоживання землян в наступному тисячолітті. Більшість експертів припускають, що чисельність населення Землі та споживання енергії мають стабілізуватися на якомусь одному рівні і що станеться це в середині або наприкінці XXI століття. Діапазон оцінок такого «стабільного» споживання електричної потужності досить широкий: від 3-1010 до 1011 кВт, що всього в 3-10 разів більше нинішнього рівня. Відповідні залежності наведено на рис. 1, звідки видно, що стабілізація на рівні 3·1011 кВт ще може бути зрозуміла, в той час як інша оцінка (1011 кВт) досить сумнівна навіть для орієнтовного прогнозу.

Очевидно, при цьому враховувалися результати існуючих прогнозів по виснаження до середини — кінця наступного століття запасів нафти, природного газу та інших традиційних енергоресурсів, а також скорочення споживання вугілля (якого, за розрахунками, має вистачити на 300 років) з-за шкідливих викидів в атмосферу, а також вживання ядерного палива, якого за умови інтенсивного розвитку реакторів-розмножувачів вистачить не менше ніж на 1000 років (із-за труднощів з видаленням радіоактивних відходів та похованням відпрацьованих агрегатів АЕС).

У таблиці 1 наведено наближена оцінка відсоткової частки окремих джерел енергії в різні періоди розвитку людства.

Частка окремих джерел енергії (%)

Таблиця 1.

Час

Мускульна енергія людини

Короткий опис статті: альтернативні джерела енергії Альтернативні джерела енергії, Фізика, реферати ,скачати реферати безкоштовно (реферати українскою) банк рефератів, ще можна і знайти реферат, є пошук по рефератів

Джерело: Альтернативні джерела енергії / Фізика — реферати, рефераты, реферат, курсова, доповідь, контрольна, диплом, завантажити

Також ви можете прочитати