Сколько людям нужно энергии

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 кДж тепла (эта величина в теплотехнике именуется теплотой сгора­ния). Напомним также, что теплота сгорания бурого угла равна примерно 13000 кДж/кг, антрацита 25000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42000 кДж/кг, а природного газа 45000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород -120000 кДж/кг.

Пришло время объяснить, что же такое энергия, т.е. величи­на, измеряемая килоджоулями. Известна и другая физическая величина - работа, имеющая ту же размерность, что и энергия, Зачем нужны два разных понятия?

Оказывается, вопрос имеет принципиальное значение. Энер­гия - слово греческое, означающее в переводе деятельность.. Термином "энергия" обозначают единую скалярную меру раз­личных форм движения материи. Энергию можно получить при сгорании 1 кг угля или 1 кг нефти, которые называются энерго­носителями. Законы физики утверждают: та работа, которую можно получить в реальных машинах и использовать на наши нужды, будет всегда меньше энергии, заключенной в энергоно­сителе. Энергия - это, по сути дела, энергетический потенциал (или просто потенциал), а работа - это та часть потенциала, которая дает полезный эффект. Разницу между энергией и работой называют диссипированной (или рассеявшейся) энергией. До сих пор по традиции еще применяют понятия потен­циальной и кинетической энергии, хотя в действительности из-за огромного разнообразия видов энергии было бы целесооб­разно пользоваться единственным термином - энергия. Таким образом, работа совершается в процессе преобразования одних видов энергии в другие и характеризует полезную ее часть, полученную в процессе такого преобразования. Рассеянная в процессе совершения работы энергия неизменно превращается в тепло, которое сообщается окружающему пространству. По­скольку процессы преобразования одних видов энергии в другие бесконечны, любая работа в конце концов переходит в тепло, т.е. обесценивается. Это означает, что чем больше чело­вечество добывает угля, нефти и других энергоресурсов, тем больше оно в конечном итоге нагревает окружающую среду.

Прогноз роста потребности в энергии чаще всего связывают с ростом численности населения Земли. При этом предполагают, что на каждого жителя уровень полученной энергии будет также увеличиваться. 15 июля 1987 года численность населения Земли перешла 5-миллиардный рубеж (прогнозы 1975 года утверждали, что это произойдет только после 1990 года!). Ожи­дается, что к 2000 году население составит не меньше 6 млрд. человек, а на каждого жителя будет приходиться в год в сред­нем около 29 МВт·ч получаемой энергии, в то время как общая годовая потребность в ней составит 20-200 млрд. МВт·ч.

 Таким образом, можно сказать, что на одного человека в 2000 году будет приходиться 29МВт·ч всех видов вырабатываемой энергии. Каждый житель Земли в том же 2000 году будет потреблять мощность 3 кВт. Надо заметить, что в развитых странах это значение уже достигнуто, а в США, СССР и ря­де других стран на одного человека приходится до 10 кВт энергии всех видов. Развивающиеся страны потребляют значительно меньше, так что среднее мировое значение в настоящее время не превышает 2 кВт на человека.

Предполагается, что к 2000 году общая потребляемая электриче­ская мощность должна удвоиться по отношению к нынешнему уровню и составить (1,8-2,0) 10¹⁰кВт (или 20 млрд. кВт). Были предприняты и более глобальные оценки энергопотребления землян в следующем тысячелетии. Большинство экспертов предполагают, что численность населения Земли и потребление энергии должны стабилизироваться на каком-то одном уровне и что произойдет это в середине или конце XXI века. Диапазон оценок такого "стабиль­ного" потребления электрической мощности довольно широк: от 3-10¹⁰ до 10¹¹ кВт, что всего в 3-10 раз больше нынешнего уровня. Соответствующие зависимости приведены на рис. 1, откуда видно, что стабилизация на уровне 3·10¹¹ кВт еще мо­жет быть понятна, в то время как другая оценка (10¹¹ кВт) весь­ма сомнительна даже для ориентировочного прогноза.

Очевидно, при этом учитывались результаты существующих прогнозов по истощению к середине – концу следующего столе­тия запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля (которо­го, по расчетам, должно хватить на 300 лет) из-за вредных выбро­сов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов-раз­множителей хватит не менее чем на 1000 лет (из-за трудностей с удалением радиоактивных отходов и захоронением отработав­ших агрегатов АЭС).

В таблице 1 приведена приближенная оценка процентной доли отдельных источников энергии в различные периоды развития человечества.

Доля отдельных источников энергии (%)

Таблица 1.

Итак, ресурсы практически неисчерпаемы! А потребности? По-видимому, они должны соответствовать не только земным нуждам, но и нуждам космического строительства, космических сообщений по трассе Земля – орбита, межорбитальных сообще­ний, освоения Луны, планет и астероидов. В дальнейшем, по-видимому, потребуются огромные энергетические затраты на обнаружение и установление связи с другими цивилизациями Вселенной.

Мир наполнен энергией, которая может быть использована для совершения работы разного характера. Энергия может находиться и находится в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах, а мы, в свою очередь, рассмотрим способы извлечения этой энергии и ее преобразования.

Раздел 2.

Альтернативные источники энергии
Ветровая энергия

Мы живем на дне воздушного океана, в мире ветров. Люди давно это поняли, они постоянно ощущали на себе воздействие ветра, хотя долгое время не могли объяс­нить многие явления. Наблюдением за ветрами занима­лись еще в Древней Греции. Уже в III в. до н. э. было известно, что ветер приносит ту или иную погоду. Правда, греки определяли только направление ветра. В Афинах около 100 г. до н. э. построили так называе­мую Башню ветров с укрепленной на ней «розой вет­ров» (башня существует по сей день, нет только «розы»). В Японии и Китае также были известны розы ветров: изготовленные в виде драконов, они указывали направление ветра. Но главное назначение их было иное: отпугивать злых духов – чужие ветры.

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории – от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м² (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м².

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75–95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30–40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15–30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сеть электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г. Однако после поломки ротора опыт прервался – ротор не стали ремонтировать, поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и в европейских странах.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. Американец Генри Клюз в штате Мэн построил две мачты и укрепил на них ветродвигатели с генераторами. 20 аккумулятором по 6 В и 60 по 2 В служат ему в безветренную погоду, а в качестве резерва он имеет бензиновый движок. За месяц Клюз получает от своих ветроэлектрических агрегатов 250 кВт·ч энергии; этого ему хватает для освещения всего хозяйства, питания бытовой аппаратуры (телевизора, проигрывателя, пылесоса, электрической пишущей машинки), а также для водяного насоса и хорошо оборудованной мастерской.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие – на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

На рис. 2. схематически показана ветроэлектрическая установка, построенная Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) в штате Огайо. На башне высотой 30,5 м укреплен генератор в поворотном обтекаемом корпусе; на валу генератора сидит пропеллер с двумя алюминиевыми лопастями длиной 19 м и весом 900 кг. Агрегат начинает работать при скорости ветра 13 км/ч, а наибольшей производительности (100 кВт) достигает при 29 км/ч. Максимальная скорость вращения пропеллера составляет 40 об/мин.

В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто rкакую-то электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 60 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет попорота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.