Energetický problém je jedním z hlavních problémů lidstva. Hlavními zdroji energie jsou v současnosti plyn, uhlí a ropa. Podle prognóz vydrží zásoby ropy na 40 let, uhlí na 395 let a plynu na 60 let. Globální energetický systém čelí obrovským výzvám.
Z hlediska elektřiny jsou zdroje elektrické energie zastoupeny různými elektrárnami – tepelnými, vodními a jadernými elektrárnami. V důsledku rychlého vyčerpání přírodních zdrojů energie vystupuje do popředí úkol hledat nové způsoby výroby energie.
Zdroj elektrické energie je elektrický výrobek (zařízení), který přeměňuje různé druhy energie na elektrickou energii (GOST 18311-80).
Zdroje základní elektrické energie
Fungují na organická paliva – topný olej, uhlí, rašelina, plyn, břidlice. Tepelné elektrárny se nacházejí především v regionu s přírodními zdroji a v blízkosti velkých ropných rafinérií.
Staví se v místech, kde velké řeky blokuje přehrada, a díky energii padající vody se otáčejí turbíny elektrického generátoru. Výroba elektřiny touto metodou je považována za nejšetrnější k životnímu prostředí, protože se nespalují různé druhy paliva, takže nevzniká žádný škodlivý odpad. Více podrobností zde – Princip fungování vodní elektrárny
Ohřev vody vyžaduje tepelnou energii, která se uvolňuje v důsledku jaderné reakce. V ostatních ohledech je to obdoba tepelné elektrárny.
Nekonvenční zdroje energie
Patří mezi ně vítr, slunce, teplo ze zemských turbín a příliv a odliv. V poslední době jsou stále častěji využívány jako netradiční doplňkové zdroje energie. Vědci tvrdí, že do roku 2050 se netradiční zdroje energie stanou hlavními a konvenční ztratí na významu.
Existuje několik způsobů, jak jej použít. Při fyzikálním způsobu získávání sluneční energie se používají galvanické baterie, které dokážou absorbovat a přeměnit sluneční energii na elektrickou nebo tepelnou energii. Systém zrcadel se také používá k odrážení slunečních paprsků a jejich nasměrování do potrubí naplněných olejem, kde se koncentruje sluneční teplo.
V některých regionech je vhodnější využívat solární kolektory, s jejichž pomocí lze částečně řešit ekologický problém a využívat energii pro domácí potřeby.
Hlavními výhodami solární energie jsou všeobecná dostupnost a nevyčerpatelnost zdrojů, naprostá bezpečnost pro životní prostředí a hlavní ekologické zdroje energie.
Hlavní nevýhodou je potřeba velkých ploch pozemků pro stavbu solární elektrárny.
Větrné elektrárny jsou schopny vyrábět elektrickou energii pouze při silném větru. „Hlavními moderními zdroji větrné energie“ jsou větrné turbíny, což je poměrně složitá konstrukce. Má dva naprogramované provozní režimy – slabý a silný vítr a má také zastavení motoru, pokud je vítr velmi silný.
Hlavní nevýhodou větrných elektráren (WPP) je hluk vznikající při otáčení listů vrtule. Nejvhodnější jsou malé větrné turbíny navržené tak, aby poskytovaly elektřinu šetrnou k životnímu prostředí a levnou elektřinu pro letní chaty nebo jednotlivé farmy.
Přílivová energie se používá k výrobě elektrické energie. Abyste mohli postavit jednoduchou přílivovou elektrárnu, budete potřebovat pánev, přehrazené ústí řeky nebo záliv. Přehrada je vybavena hydraulickými turbínami a propustky.
Při přílivu se voda dostává do bazénu a při srovnání hladin v bazénu a v moři se propustky uzavírají. Jak se blíží příliv, hladina vody klesá, tlak je dostatečně silný, turbíny a elektrické generátory začínají svou práci a voda postupně opouští bazén.
Nové zdroje energie v podobě přílivových elektráren mají některé nevýhody – narušení normální výměny sladké a slané vody; vliv na klima, takže v důsledku jejich práce se mění energetický potenciál vody, rychlost a oblast pohybu.
Klady: šetrnost k životnímu prostředí, nízké náklady na vyrobenou energii, snížení úrovně těžby, spalování a přepravy fosilních paliv.
• Netradiční zdroje geotermální energie
Teplo ze zemských turbín (hlubinných horkých pramenů) se využívá k výrobě energie. Toto teplo lze využít v jakémkoli regionu, ale náklady se mohou vrátit pouze tam, kde je horká voda co nejblíže zemské kůře – oblasti, kde jsou aktivní gejzíry a sopky.
Hlavní zdroje energie představují dva typy – podzemní bazén přírodního chladiva (hydrotermální, parotermální nebo parovodní zdroje) a teplo horkých hornin.
Prvním typem jsou podzemní kotle připravené k použití, ze kterých lze pomocí klasických vrtů odsávat páru nebo vodu. Druhý typ umožňuje vyrábět páru nebo přehřátou vodu, kterou lze později využít pro energetické účely.
Hlavní nevýhodou obou typů je slabá koncentrace geotermálních anomálií při přiblížení horkých hornin nebo pramenů k povrchu. Vyžaduje se také zpětné vstřikování odpadních vod do podzemního horizontu, protože termální voda obsahuje mnoho solí toxických kovů a chemických sloučenin, které nelze vypouštět do systémů povrchových vod.
Výhody – tyto rezervy jsou nevyčerpatelné. Geotermální energie je velmi oblíbená díky aktivní činnosti sopek a gejzírů, jejichž území zabírá 1/10 rozlohy Země.
Nové perspektivní zdroje energie – biomasa
Biomasa může být primární a sekundární. K získání energie lze využít sušené řasy, zemědělský odpad, dřevo apod. Biologickou možností energetického využití je výroba bioplynu z hnoje v důsledku fermentace bez přístupu vzduchu.
Dnes se ve světě nahromadilo slušné množství odpadků, které zhoršují životní prostředí, odpadky mají škodlivý vliv na lidi, zvířata a vše živé. Proto je nutný rozvoj energetiky, kde bude sekundární biomasa využívána k zamezení znečišťování životního prostředí.
Podle výpočtů vědců si obydlené oblasti mohou plně zajistit elektřinu pouze ze svých odpadků. Navíc nevzniká prakticky žádný odpad. V důsledku toho bude problém likvidace odpadů vyřešen současně se zásobováním obyvatel elektřinou s minimálními náklady.
Výhody – koncentrace oxidu uhličitého se nezvyšuje, problém s používáním odpadků je vyřešen, a proto se zlepšuje životní prostředí.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Slunce hraje zásadní roli při poskytování energie Zemi. Je hlavním zdrojem energie díky svým jedinečným vlastnostem a procesům probíhajícím na jeho povrchu.
Slunce je hvězda. Hvězda je horká koule plynu složená převážně z vodíku a helia. V jádru Slunce dochází k jaderným reakcím, jejichž výsledkem je termonukleární fúze. Během tohoto procesu se jádra atomů vodíku spojí a vytvoří jádro atomu helia. Při tomto procesu se uvolňuje obrovské množství energie ve formě světla a tepla.
Slunce vyzařuje energii všemi směry a část této energie dopadá na Zemi. To je energie, kterou vnímáme ve formě světla a tepla.
Slunce poskytuje energii pro mnoho procesů na Zemi, od růstu rostlin po údržbu počasí. Bez sluneční energie by život na Zemi, jak ho známe, nebyl možný.
Slunce, sluneční energie a vítr
Mnoho starověkých národů považovalo slunce za všemocné božstvo, schopné poskytnout vše, co člověk potřebuje. Některé národy, které věřily, že se slunce každý den znovu narodilo, vítaly jeho východ modlitbami a zpěvem. To byl naivní, infantilní pohled primitivního člověka, který věřil, že slunce je živá bytost, hlavní zdroj veškerého života na Zemi.
Kdysi to tak bylo. Ale jaká je situace nyní? Nikdo samozřejmě nyní nepovažuje slunce za božstvo. Věda však zjistila, že téměř vše, co na Zemi existuje, žije a roste, nakonec vděčí za svůj vznik a život slunci.
Bez sluneční energie by na Zemi nebyl žádný pohyb vzduchu a větru.
V létě, za jasného slunečného dne, kdy je počasí klidné, můžete pozorovat, jak se některé potoky houpou a tečou nad povrchem země. Jedná se o vrstvy ohřátého vzduchu stoupající vzhůru.
Při zahřátí se roztahuje a rozpíná se ještě více než pevné předměty a kapaliny. Zároveň se stává lehčím a stoupá. Na jeho místě se shora a ze stran začne pohybovat méně ohřátý vzduch. Tomuto pohybu vzduchu říkáme vítr.
Sluneční energie ohřívá atmosféru a zemský povrch nerovnoměrně. Rozdíly ve slunečním záření způsobují nerovnoměrné ohřívání zemského povrchu, a tedy nerovnoměrné ohřívání vzduchu.
Vznikají teplotní gradienty, které způsobují přesun vzduchových mas z oblastí s vyšší teplotou do oblastí s nižší teplotou. To vytváří horizontální rozdíly v atmosférickém tlaku a způsobuje vítr.
Sluneční energie také ovlivňuje vznik cyklón a anticyklón. Když sluneční záření dopadá na různé části Země, způsobuje změny ve vertikálním rozložení teploty a tlaku.
V důsledku toho se objevují cyklóny (oblasti nízkého tlaku) a anticyklóny (oblasti vysokého tlaku). Rozdíl v tlaku mezi těmito oblastmi způsobuje pohyb vzduchových mas a vytváření větru.
Sluneční energie také hraje roli při výrobě větru na moři. Slunce ohřívá povrch oceánu, což způsobuje přenos tepla z povrchu oceánu do povrchových vrstev atmosféry. To způsobuje rozdíly v teplotě a tlaku, což vede ke vzniku mořských vánků a dalších mořských větrů.
Příčinou větru je tedy slunce, přesněji řečeno jeho teplo. Tento pohybující se vzduch nebo vítr má sílu. A tato síla je někdy obrovská. Stačí si vzpomenout, jak hrozné bouře a hurikány dosahují.
Tuto větrnou sílu se lidstvo naučilo využívat již dávno. Tím, že přizpůsobili vítr k pohonu plachetnic, dosáhli velkých úspěchů v navigaci, což umožnilo objevovat a zalidňovat nové, dříve neznámé země.
K novější době patří využití větrné energie na souši za pomoci větrných mlýnů. V Evropě se plané neštovice začaly šířit přibližně před 900 lety – především v Anglii, Francii a Německu.
Větrné mlýny sloužily a stále slouží k mletí obilí. Ale na některých místech, například v Holandsku, se používají i k čerpání vody z polí, k odvodňování bažin atp.
Američané, kteří byli v mnoha směrech před Evropou, dosáhli skvělých výsledků v používání větrných motorů. Na obrázku je jedna z amerických větrných elektráren.
Moderní větrné elektrárny
Moderní větrné turbíny, neboli větrné turbíny, jsou technologií využívající větrnou energii k výrobě elektřiny. Skládají se z několika hlavních součástí: větrná turbína, generátor a řídicí systém.
Větrná turbína zahrnuje větrné turbíny, známé také jako větrná kola nebo lopatky, které zachycují energii větru. Lopatky jsou obvykle aerodynamicky tvarované, aby maximalizovaly zachycení energie z proudění větru. Jsou namontovány na vodorovné nebo svislé ose, která se otáčí vlivem větru.
Rychlost větru pohání lopatky a jejich rotace přenáší mechanickou energii do generátoru. Generátor přeměňuje mechanickou rotační energii na elektrickou energii.
Obvykle se používá asynchronní generátor, který generuje střídavý proud. Elektrický proud pak prochází řídicím systémem, který řídí chod větrné turbíny, zajišťuje optimální využití větrné energie a řídí přenos vzniklé elektřiny do sítě nebo baterií.
Vodní cyklus
Vidíme tedy, že vlivem slunečního tepla stoupá ohřátý vzduch. Ale nejen vzduch stoupá vzhůru, když se zahřívá slunečními paprsky. Voda se vypařuje z hladiny řek, jezer a oceánů a mění se ve vodní páru, která se mísí se vzduchem.
K odpařování vody dochází neustále, ale zvláště se zvyšuje vlivem tepla slunečních paprsků. Spolu s ohřátým vzduchem je vodní pára unášena vzhůru.
Co by se mohlo stát s tou vodní párou nahoře? Abychom této problematice porozuměli, připomeňme si, co se stane, když do teplé místnosti přineseme byť jen studenou konvici. Po minutě se začne „potit“ a pokryje se vlhkostí.
Teplý vzduch v místnosti obsahuje určité množství vodní páry. Vrstvy tohoto vzduchu umístěné v blízkosti studené konvice se ochlazují a ukázalo se, že z tohoto důvodu mohou obsahovat méně vodní páry. Část posledně jmenovaných kondenzuje do vody a pokrývá stěny studené konvice.
Stejně tak páry ze vzduchu ochlazeného nahoře kondenzují na vodu. Tyto zkondenzované vodní páry tvoří mraky, ze kterých padají zpět na zem v podobě deště, krup a sněhu.
Dešťová voda a voda vznikající z tání sněhu a na vysokých horách z tání ledovců stéká dolů a vytváří potoky a řeky, které se pak vlévají do moří a oceánů.
Celá tato obrovská masa vody eroduje břehy, drtí a unáší svým proudem velké množství písku, suti atd. K tomu je potřeba nemalá síla.
Tuto sílu vody mohou lidé využít například stavbou vodních mlýnů, vodních elektráren atd.
Tímto způsobem dochází vlivem slunečního tepla k nepřetržitému koloběhu vody. Stoupá ve formě páry do vzduchu, odtud klesá zpět, stéká dolů, znovu se odpařuje atd. a celý tento pohyb opět produkuje slunce, respektive jeho teplo.
Energie v rostlinách a zvířatech
Obvyklé druhy paliva, které používáme, jsou sláma, palivové dřevo, rašelina, uhlí, ropa a plyn.
Sláma, palivové dříví a rašelina jsou zbytky rostlin. Uhlí, jak ukázal výzkum, také pochází z rostlin. Pokud se rostlina ocitne v podmínkách, kdy není přístup vzduchu, pak nehnije, ale pouze zuhelnatí.
To byl případ těch závodů, ze kterých se následně tvořilo uhlí. A i nyní v uhelných slojích často narazíte na otisky listů, někdy i celých kmenů stromů.
Otázka původu ropy je dlouhodobě poněkud kontroverzní. Většina vědců v současnosti považuje ropu za zpracované zbytky zvířat a některých význačných rostlin.
Proto jsou konvenční paliva zbytky rostlin a zvířat. A nyní lze otázku o přítomnosti energie v palivu položit touto formou: kde rostliny a živočichové přijímají a ukládají energii?
Molekuly a atomy uhlí a kyslíku, když se spojí, uvolňují určité množství energie. Aby bylo možné znovu izolovat kyslík a uhlí od oxidu uhličitého a „rozbít“ jejich spojené atomy, je nutné vynaložit energii.
Odkud se tato energie v zelených částech rostlin bere?
Rostliny díky slunečnímu záření provádějí proces fotosyntézy, přeměňují sluneční energii na chemickou energii, která je obsažena v organické hmotě. Tímto procesem rostliny produkují kyslík a živiny, které slouží jako potrava pro jiné organismy.
Fotosyntéza je proces, při kterém zelené rostliny, některé bakterie a některé řasy přeměňují sluneční energii na chemickou energii tím, že absorbují světlo a používají ji k syntéze organických látek z anorganických látek, jako je voda a oxid uhličitý.
Organické molekuly, jako je glukóza, jsou syntetizovány fotosyntézou a slouží jako zdroj chemické energie pro rostlinu. Tuto energii může rostlina využít pro růst, vývoj, opravu buněk a další životně důležité procesy.
Fotosyntéza je kritický proces, protože je hlavním zdrojem potravy a kyslíku pro většinu živých organismů na Zemi.
Hraje také klíčovou roli při udržování rovnováhy oxidu uhličitého v atmosféře, protože rostliny absorbují oxid uhličitý fotosyntézou a uvolňují kyslík do prostředí.
K rozkladu oxidu uhličitého rostlinami dochází pouze na světle. K takovému rozkladu jsou samozřejmě nutné sluneční paprsky. Sluneční paprsky musí mít rezervu energie.
Je známo, že sluneční paprsky s sebou nesou energii, alespoň ve formě tepla. A rozklad oxidu uhličitého je následující: zelené listy rostlin absorbují oxid uhličitý ze vzduchu, paprsek slunečního světla pronikající do listu tento oxid uhličitý rozloží na kyslík a uhlí.
Kyslík se vrací zpět do vzduchu, ale uhlí zůstává v elektrárně a slouží jako jeden z hlavních materiálů pro stavbu elektrárny. U rostlin je to opak toho, co se děje při spalování a při dýchání zvířat a lidí.
Při spalování a dýchání dochází k pohlcování kyslíku ze vzduchu, což má za následek tvorbu oxidu uhličitého, který není schopen podporovat spalování a dýchání. V rostlinách se pomocí slunečního záření oxid uhličitý rozkládá na jeho složky a kyslík se vrací zpět do vzduchu.
Vypadá to jako kyslíkový cyklus. Část se spotřebuje při spalování a dýchání, váže se na uhlí, ale v rostlinách se uvolňuje, vrací do ovzduší atd.
V tomto případě je sluneční energie neustále absorbována. Paprsek jakoby v listu slábne, jeho energie se vynakládá na práci rozkladu oxidu uhličitého. Tato energie se ukládá, ukládá v rostlině a rostlina je jakoby „nabita“ energií slunečního paprsku.
Nyní jsme tedy schopni odpovědět na dříve položenou otázku, odkud se bere energie v rostlinném palivu, které používáme při spalování.
Umělé využití solární energie
V tomto ohledu je zajímavé povšimnout si pokusů, které byly učiněny v oblasti přímého využití solárního tepla.
Množství energie, kterou Země přijímá ze Slunce, je kolosální. Přitom podíl země, která je ve srovnání se Sluncem objemově 1300000 150 XNUMXkrát menší a nachází se od něj ve vzdálenosti asi XNUMX milionů kilometrů, přirozeně tvoří nepodstatnou část celkové energie vyzařované Sluncem. Pozemský podíl tvoří zhruba jednu desetimiliardtinu.
Výpočet celkového množství energie, kterou Země dostává ze Slunce, představuje značné potíže. Ale i přibližná čísla získaná z tohoto výpočtu předčí veškerou představivost.
Pro větší názornost můžeme provést následující srovnání: množství tepla uvolněného při spalování všech druhů organických paliv na Zemi je přibližně 50000 XNUMXkrát menší než energie, kterou Země přijme ze Slunce během jedné minuty.
Myšlenka přímého využití solárního tepla není nová, ale její realizace narážela na velké technické potíže. Během historie bylo navrženo mnoho projektů.
Nejznámější jsou první solární motory, které sestrojili dva vynálezci – Francouz Mouchot v roce 1871 a Švéd Ericson v roce 1883.
Oba motory byly poháněny párou z malého kotle, na který směřovaly koncentrované sluneční paprsky. K přivedení vody k varu a výrobě páry je potřeba značné množství tepla, ke kterému je potřeba soustředit co nejvíce slunečního záření na parní stroj.
Musho a Erickson k tomuto účelu použili velká reflexní zrcadla, která se pohybovala za sluncem pomocí hodinového mechanismu.
Trochu jiný systém motoru navrhl americký inženýr Schumann. Schumann se pokusil napodobit rostliny ve svých technikách zachycování slunečního světla. Faktem je, že při využití solární energie je nutné sbírat teplo z paprsků dopadajících na velký prostor.
Rostliny v tomto ohledu představují velmi dokonalé zařízení. Stačí se podívat na louku pokrytou trávou, abyste viděli, jak hospodárně je každý pozemek využíván.
Výpočty ukazují, že například celý povrch jetele je 26krát větší než plocha Země, kterou zabírá. Vojtěška dává ještě větší číslo: deset metrů čtverečních vojtěšky představuje zelený povrch o velikosti již 850 metrů čtverečních pro absorpci paprsků.
Napodobit rostliny v tomto není zdaleka snadný úkol. Ale Schumann se rozhodl, že napodobováním rostlin je nejjednodušší dosáhnout dobrých výsledků. V jeho instalaci se zrcadla nezdvihají vysoko nad zem, ale pokrývají povrch, jako popínavé rostliny.
Schumann postavil několik takových solárních instalací v Egyptě a Americe. Výkon některých instalací dosáhl 100 koňských sil s celkovou zrcadlovou plochou 900 metrů čtverečních. metrů.
Moderní využití solární energie
1. Solární fotovoltaická zařízení: Solární panely nebo solární panely na bázi solárních fotovoltaických článků jsou široce používány k výrobě elektřiny. Instalují se na střechy budov, na velké solární farmy a ve velkých solárních elektrárnách. Solární energii přeměněnou na elektřinu lze využít k napájení domácností, podniků a dokonce i celých měst.
2. Solární tepelné systémy: Solární termální systémy využívají solární energii k ohřevu vody nebo jiných teplonosných kapalin. Jsou široce používány pro vytápění obytných a komerčních objektů, dále pro ohřev vody v bazénech a sociálních zařízeních.
3. Solární kolektory a parní generátory: Solární kolektory slouží ke sběru sluneční energie a její přeměně na teplo. Toho lze využít k výrobě páry, kterou lze využít k výrobě elektřiny v parních turbínách nebo k pohonu průmyslových procesů.
4. Solární energetické systémy pro dopravu: Solární energie se používá k pohonu elektrických vozidel, jako jsou solární auta, solární elektrická kola a solární elektrické čluny. To snižuje závislost na fosilních palivech a snižuje emise škodlivých látek.
Příklady využití sluneční energie v naší době:
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
