Энергия и ее виды. Закон сохранения энергии

Другим типом СЭС, получившим развитие, стали установки с двигателем Стирлинга, размещаемым в фокусе параболического зеркального концентратора. КПД таких установок "может достигать 29%. Предполагается использовать подобные СЭС небольшой мощности для электроснабжения автономных потребителей в отдаленных местностях.

ОТЭС. В перспективе можно использовать для получения электроэнергии разность температуры слоев воды в океане, которая может достигать 20°С. Станции на этой основе (ОТЭС) находятся в разработке. Первый вариант подобной установки мощностью 5 МВт проектируется в Израиле. Меньшие по мощности установки действуют в Австралии, Калифорнии и ряде других стран. Основная сложность перспективы их использования - низкая экономичность и как следствие отсутствие коммерческого интереса.

Фотоэнергетика.

Начиная с 70-х годов правительства индустриальных стран израсходовали биллион долларов на разработки фотоэлектрических преобразователей. За последние 10 лет стоимость фотоэлектрических преобразователей снижалась и в 1993 г. достигла 3,5-4,75 дол/Вт, а стоимость получаемой энергии 25-40 центов/(кВт/ч). Мировой объем производства с 6,5 МВт в 1980 г. увеличился до 29 МВт в 1987 г. и в 1993 г. составил более 60 МВт.

В Японии ежегодно выпускается 100 млн. калькуляторов общей мощностью 4 МВт, что составляет 7% мировой торговли фотоэлектрическими преобразователями. Более 20 тыс. домов в Мексике, Индонезии, Южной Африке, Шри-Ланке и в других развивающихся странах используют фотоэлектрические системы, смонтированные на крышах домов, для получения электроэнергии для бытовых целей.

Наилучшим примером использования таких систем является Доминиканская республика, где 2 тыс. домов имеют фотоэлектрические установки, сконструированные в последние 9 лет. Стоимость такой установки 2 тыс. дол.

В Шри-Ланке израсходовано 10 млн. дол на электрификацию 60тыс. домов с помощью фотосистем. Стоимость установки мощностью 50Вт, включающая фотопанель, источник света и аккумуляторную батарею, составляет 500 дол.

В будущем стоимость ycтaновки для малых систем будет снижаться, например установки с люминесцентными лампами. В Кении в течение последних лет 20 тыс. домов электрифицировано с помощью фотосистем по сравнению с 17 тыс. домами, где за это же время введено централизованное электроснабжение. В Зимбабве за счет кредита в 7 млн. дол, выделенного в 1992 г., будет электрифицировано 20 тыс. домов в течение 5 лет. Мировым банком выделен кредит в 55 млн. дол. для электрификации 100 тыс. домов в Индии фотосистемами. В США стоимость 1 км распределительных электросетей составляет 13-33 тыс. дол. Контракт на установку мощностью 500 МВт, включающую электроснабжение дома, освещение, радио, телевидение и компьютер, составляет не менее 15 тыс. дол. (включая аккумуляторную батарею). Уже имеется 50 тыс. таких установок в городах и ежегодно строится около 8 тыс. установок. Среди индустриальных стран кроме США также лидируют в использовании фотосистем в домах Испания и Швейцария.

Если даже ежегодно в мире будет снабжаться фотосистемами 4 млн. домов (1% тех, что электрифицируются ежегодно), то общая установленная мощность фотосистем составит всего 200 МВт, что в 4 раза меньше мирового производства их в 1993 г. Если производство фотосистем достигнет ежегодно 1% общей продажи энергии в мире, то их производство по сравнению с современным уровнем должно возрасти десятикратно, а увеличение до 10% этой продажи приведет к стократному росту производства фотосистем.

Для успешного внедрения фотосистем их удельная стоимость должна быть снижена в 3-5 раз прежде, чем появятся крупные энергосистемы.

Половина продажи кремния приходится на монокристаллы, поликристаллическая модификация также имеет большое будущее. Большое будущее будут иметь тонкопленочные системы, в частности на основе аморфного кремния. Некоторые образцы фотоэлектро-преобразователей на основе аморфного кремния имеют КПД 10%, удельную стоимость 1 дол/Вт, стоимость получаемой электроэнергии 10-12 центов/(кВт/ч) - это ниже, чем была ее стоимость в 1993 г. Имеется перспектива снижения стоимости к 2000 г. до 10 центов/(кВт /ч) и до 4 центов/(кВт /ч) к 2020 г.

Итак, фотоэнергетика может стать ведущим источником энергии мировой большой индустрии. Это подтверждают сделанные в 1994 г. разработки, считают эксперты. В результате создания новых технологий и повышения технического уровня продукции может быть преодолен барьер для внедрения фотоэлектрических систем, связанный с высокой их стоимостью. Так, по инициативе корпорации Енрон ведется разработка фотоэлектрической станции мощностью 100 МВт для строительства в Неваде, на которой стоимость вырабатываемой электроэнергии составит 5,5 цента/(кВт/ч).

Основными технологическими решениями по использованию энергии являются: превращение солнечной энергии в электрическую и получение тепловой энергии для целей теплоснабжения зданий.

Прямое использование солнечной энергии в условиях Крыма, для выработки в настоящее время электроэнергии, требует больших капитальных вложений и дополнительных научно-технических проработок.

В 1986 г. вблизи г. Щелкино построена первая в мире солнечная электростанция (СЭС-5) мощностью 5 тыс. кВт. К 1994 г. она выработала около 2 млн. кВт. час электроэнергии. Эксперимент с СЭС показал реальность преобразования солнечной энергии в электрическую, но стоимость отпускаемой электроэнергии оказалась слишком высокой, что в условиях рыночной экономики является малоперспективным.

Перспективность применения фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии обусловлено его максимальной экологической чистотой преобразования, значительным сроком службы фотоэлементов и малыми затратами на их обслуживание. При этом простота обслуживания, небольшая масса, высокая надежность и стабильность фотоэлектропреобразователей делает их привлекательными для широкого использования в Крыму.

Основными задачами по широкому внедрению фотоэлектрических источников питания являются:

·         разработка научно-технических решений по повышению КПД фотоэлементов;

·         -применение высокоэффективных фотоэлементов с использованием концентраторов солнечного излучения.

Геотермальная энергия.

За прошедшие 15 лет производство электроэнергии на геотермальных электростанциях (ГеоТэс) в мире значительно выросло. Работы по изучению геотермальных источников и созданию прогрессивных систем для извлечения и практического использования геотермальной энергии ведутся в Украине и многих зарубежных странах. В последние два десятилетия выполнялись обширные программы научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ в этом направлении. Накоплен также определенный опыт создания и многолетней эксплуатации опытно-промышленных и промышленных геотермальных установок различного назначения.

Разработка и освоение интенсивных технологий извлечения теплоносителя и создания эффективных систем использования теплоты недр является главной научной и инженерно-технической проблемой энергетики. Без создания таких технологий и установок нельзя рассчитывать на широкомасштабное использование этого энергоисточника.

Энергия биомассы

Большие возможности в собственном энергообеспечении сельскохозяйственных предприятий и экономии ТЭР заложены в использовании энергии отходов сельхозпроизводства и растительной биомассы. В сельскохозяйственном производстве в качестве источников тепла можно принять любые растительные отходы, непригодные для использования по прямому назначению или не нашедшие иного хозяйственного применения.

За последнее время использование биомассы в различных ее формах (дерево, древесный уголь, отходы сельскохозяйственного производства и животных) в мире в целом снизилось.

Однако в развивающихся странах этот вид энергоресурсов составляет в среднем 20%. При этом в ряде стран Африки использование биомассы для энергетических целей равно примерна 60% общего энергопотребления, в азиатских странах- 40%, в странах Латинской Америки 0 до 30% и в ряде стран Европы, Ближнего Востока и Скверной Африки до 10%.

В ряде стран использование древесного топлива, древесного угля и сельскохозяйственных отходов поставлено на коммерческую основу. Следует отметить, что в сельских районах бывшего СССР доля использования древесного топлива весьма значительна и при переходе на новые энергоносители можно ожидать определенного роста самозаготовок.

Указанное особенно важно в странах с тропическим климатом и в крупных городах, где проблема ликвидации и одновременно энергетического использования отходов играет особенно важную роль. За прошедшие 10 дет только три страны – США, Дания и Швеция довели производство электроэнергии, но установках, использующих биомассу отходов до 400 МВт.

Значительное развитие получила переработка биомассы, основанная на процессах газификации, теролиза и получения жидких топлив. Начиная с 1980 г. ежегодное производство этанола достигло, например, в Бразилии, 10 млн.л.

При переработке биомассы в этанол образуются побочные продукты, прежде всего – промывочные воды и остатки перегонки. Последние являются серьезным источником экологического загрязнения окружающей среды. Представляют интерес технологии, которые позволяют в процессе очистки этих отходов получать минеральные вещества, используемые в химической промышленности, а также применять их для производства минеральных удобрений.

Теплотворная способность сжигания 1 т сухого вещества соломы эквивалентна 415 кг сырой нефти, теплотворность 1 кг пшеничной соломы и сухих кукурузных стеблей равна 15,5 МДж, соевой соломы - 14,9 , рисовой шелухи - 14,3 , подсолнечной лузги - 17, 2 МДж. По этому показателю растительные отходы полеводства приближаются к дровам - 14,6-15,9 МДж/кг и превосходят бурый уголь - 12,5 МДж/кг.

Получение промышленного биогаза растительного и животного происхождения возможно за счет их сбраживания (метанового брожения) с получением метана и обеззараженных органических удобрений. Теплотворная способность 1 куб. м биогаза, состоящего из 50-80% метана и 20-50% углекислого газа, равна 10-24 МДж и эквивалентна 0,7-0,8 кг условного топлива.

 Проблемы утилизации твердых бытовых отходов (бытового мусора) остро стоят перед всеми странами. Выход мусора составляет 250-700 кг на душу населения в год, увеличиваясь на 4-6% в год, опережая прирост населения.

Решение проблемы переработки мусора найдено в использовании технологии твердофазного сбраживания на обустроенных полигонах с получением биогаза. Эта технология самая дешевая, не оперирует с токсичными выбросами и стоками.

В настоящее время в мире действуют десятки установок для получения биогаза из мусора с использованием его в основном для производства электроэнергии и тепла суммарно мощностью сотни МВт. Решается вопрос возврата для использования под застройку земель после извлечения газа. Создана модульная биоэнергетическая установка “КОБОС”. С ее помощью могут быть переработаны отходы фермы крупного рогатого скота на 400 голов и свинофермы на 3000 голов. Комплекс оборудования обеспечивает подготовку, транспортировку, сбраживание навозной массы, сбор биогаза и управление процессом.

Биогаз частично сжигается в топках котлов, подогревающих техническую воду, частично подается в дизель-генератор. Перебродившая навозная масса используется в качестве полноценного органоминерального удобрения. Выход биогаза составляет 500 м куб/сут.

ВИЭСХом разработан анаэробный биофильтр, предназначенный для производства биогаза из сточных вод сельскохозяйственного производства и коммунального хозяйства, пищевой и микробиологической промышленности.

В последние годы в связи с лавинообразным накоплением изношенных автомобильных шин, особенно в учетом ужесточения требований по их хранению (на ряде свалок возникли пожары (которые не удавалось потушить годами), активно развивается технология их сжигания.

Биогаз с высокой эффективностью может трансформироваться в другие виды энергии, при этом коэффициент его полезного использования в качестве топлива на газогенераторах может составлять до 83%. Производство биогаза в некоторых зарубежных странах уже заняло ведущее положение в энергетическом балансе сельскохозяйственного производства.

Волновая энергия.

Основной источник возобновляемой энергии – солнце. Второй по величине – Мировой океан, являющийся одновременно и природным концентратором солнечной энергии. Формы аккумуляции энергии в океане разнообразны. Энергетические источники океана имеют различные по потенциалу ресурсы. Значительные энергетические возможности заключают в себе: тепловая энергия океана, течения и волны, приливы, перепады солености, биомасса.

Исследования дают основание сделать вывод, что волны в сравнении с другими возобновляемыми источниками энергии океана обладают довольно хорошими показателями, что позволит в будущем эффективно использовать их энергию.

Каждая волна моря, направляющаяся к берегу, несет с собой огромную энергию (например, волна высотой в 3 м несет около 90 кВт мощности на 1 м побережья). В настоящее время имеются реальные инженерные и технические возможности для эффективного преобразования волновой энергии в электрическую. Однако надежные волноустановки пока не разработаны. Опыт использования волновых электростанций уже имеется и в СНГ, и в других странах мира.

В перспективе энергию морских волн можно вовлечь в общий баланс энергетических ресурсов, используемых человеком в хозяйственной деятельности.

Закон сохранения энергии

Приращение потенциальной энергий брошенного вверх тела происходит за счет убыли его кинетической энергии; при падении тела, приращение кинетической энергии происходит за счет убыли потенциальной энергии, так что полная механическая энергия тела не меняется. Аналогично, если на тело действует сжатая пружина, то она может сообщить телу некоторую скорость, т. е. кинетическую энергию, но при этом пружина будет распрямляться, и ее потенциальная энергия сбудет соответственно уменьшаться; сумма потенциальной и кинетической энергий останется постоянной. Если на тело, кроме пружины, действует еще и сила тяжести, то хотя при движении тела энергия каждого вида будет изменяться, но сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии пружины и кинетической энергии тела опять-таки будет оставаться постоянной.

   Энергия может переходить из одного вида в другой, может переходить от одного тела к другому, но общий запас механической энергии остаётся неизменным. Опыты и теоретические расчеты показывают, что при отсутствии сил трения и при воздействии только сил упругости и тяготения суммарная потенциальная и кинетическая энергия тела или системы тел остается во всех случаях постоянной. В этом и заключается закон сохранения механической энергии.

     Проиллюстрируем закон сохранения энергии на следующем опыте. Стальной шарик, упавший с некоторой высоты на стальную или стеклянную плиту и ударившийся об неё, подскакивает почти на ту же высоту, с которой упал.       Во время движения шарика происходит целый ряд превращений энергии. При падении потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию шарика. Когда шарик прикоснется к плите, и он и плита начинают деформироваться. Кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию упругой деформации шарика и плиты, причем этот процесс продолжается до тех пор, пока шарик не остановится, т. е. пока вся его кинетическая энергия не переедет в потенциальную энергию упругой деформации. Затем под действием сил упругости деформированной плиты шарик приобретает скорость, направленную вверх: энергия упругой деформации плиты и шарика прекращается в, кинетическую энергию шарика. При дальнейшем движении вверх скорость шарика под действием силы тяжести уменьшается, и кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию тяготения, В наивысшей точке шарик обладает снова только потенциальной энергией тяготения.

Поскольку можно считать, что шарик поднялся на ту же высоту, с которой он начал падать, потенциальная энергия шарика в начале и в конце описанного процесса одна и та же. Более, того, в любой момент времени при всех превращениях энергии сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии упругой деформации, и кинетической энергии все время остается одной и той же. Для процесса превращения потенциальной энергии, обусловленной силой тяжести, в кинетическую и обратно при падении и подъеме шарика это было показано простым расчетом. Можно было бы убедиться, что и при превращении кинетической энергии в потенциальную энергию упругой деформации плиты и шарика и затем при обратном процессе превращения этой энергии в кинетическую энергию отскакивающего шарика сумма потенциальной энергии тяготения, энергии упругой деформации и кинетической энергии также остается неизменной, т. е. закон сохранения механической энергии выполнен.

Теперь мы можем объяснить, почему нарушался закон сохранения работы в простой машине, которая деформировалась при передаче работы: дело в том, что работа, затраченная на одном конце машины, частично или полностью затрачивалась на деформацию самой простой машины (рычага, веревки и т.д.), создавая в ней некоторую потенциальную энергию деформации, и лишь остаток работы передавался на другой конец машины. В сумме же переданная работа вместе с энергией деформации оказывается равной затраченной работе. В случае абсолютной жесткости рычага, нерастяжимости веревки и

т. д. простая машина не может накопить в себе энергию, и вся работа, произведенная на одном ее конце, полностью передается на другой конец.

       Силы трения и закон сохранения, механической энергии. Присматриваясь к движению шарика, подпрыгивающего на плите, можно обнаружить, что после каждого удара шарик поднимается на несколько меньшую высоту, чем раньше, т. е. полная энергия не остается в точности постоянной, а понемногу убывает; это значит, что закон сохранения энергии в таком виде, как мы его сформулировали, соблюдается в этом случае только приближённо. Причина заключается в том, что в этом опыте возникают силы трения; сопротивление воздуха, в котором движется шарик, и внутреннее трение в самом материале шарика и плиты. Вообще, при наличии трения закон сохранения механической энергии всегда нарушается и полная энергия тел уменьшается. За счет этой убыли энергии и совершается работа против, сил трения. Например, при падении тела с большой высоты скорость, вследствие действия возрастающих сил сопротивления среды, вскоре становится постоянной; кинетическая энергия тела перестает меняться, но его потенциальная энергия уменьшается. Работу против силы сопротивления воздуха совершает сила тяжести за счет потенциальной, энергии тела. Хотя при этом и сообщается некоторая кинетическая энергия окружающему воздуху, но она меньше, чем убыль потенциальной энергии тела, и, значит, суммарная механическая энергия убывает.

Работа против сил трения может совершаться и за счет кинетической энергии. Например, при движении лодки, которую оттолкнули от берега пруда, потенциальная свергая лодки остается постоянной, но вследствие сопротивления воды уменьшается скорость движения лодки, т.е. ее кинетическая энергия, я приращение кинетической энергии воды, наблюдающееся при этом, меньше, чем убыль кинетической энергии лодки.

      Подобно этому действуют и силы трения между твердыми телами. Например, скорость, которую приобретает груз, соскальзывающий с наклонной плоскости, а следовательно и его кинетическая энергия, меньше той, которую он приобрел бы отсутствие трения. Можно так подобрать угол наклона плоскости, что груз будет скользить равномерно. При этом его потенциальная энергия будет убывать, а Кинетическая - оставаться постоянной, и работа против сил трения будет совершаться за счет потенциальной энергии.

В природе все движения (за исключением движений в вакууме, например, движений небесных тел) сопровождаются трением. Поэтому при таких движениях закон сохранения механической энергии нарушается, и это нарушение происходит всегда в одну сторону — в сторону уменьшения полной энергии.

            Всеобщий характер закона сохранения энергии.

Силы трения занимают особое положение в вопросе о законе ее хранения механической энергии. Если сил трения нет, то закон сохранения механической энергии соблюдается: полная механическая энергия системы остается постоянной. Если же действуют силы трения, то энергия уже не остается постоянной, а убывает при движении. Но при этом всегда растет внутренняя энергия. С развитием физики обнаруживались все новые виды энергии: была обнаружена световая энергия, энергия электромагнитных волн, химическая энергия, проявляющаяся при химических реакциях (в качестве ври мера достаточно указать хотя бы на химическую энергию, запасенную во взрывчатых веществах и превращающуюся в механическую и тепловую энергию при взрыве), наконец была открыта ядерная энергия. Оказалось, что совершаемая над телом работа равна приращению суммы всех видов энергии тела; работа же, совершаемая некоторым телом на, другими телами, равна убыли суммарной энергии данного тела. Для всех видов энергии оказалось, что возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от одного тела к другому, но что при всех таких перехода; общая энергия всех видов остаемся все время строго постоянной. В этом заключается всеобщность закона сохранения энергии.

           Хотя общее количество энергии остается постоянным количество полезной для нас энергии может уменьшаться и в действительности постоянно уменьшается. Переход энергии в другую форму может означать переход ее в бесполезную для нас форму. В механике чаще всего это - нагревание окружающей среды, трущихся поверхностей и т п. Такие потери не только невыгодны, но и вредно отзываются на самих механизмах; так, во избежание перегревания приходится специально охлаждать трущиеся части механизмов.

Список использованной литературы:

Ландсберг Г.С.

Элементарный учебник физики. Том 1. Москва,1995

Бутиков Е.И.

Физика для поступающих в вузы. 1982г.

Страницы: 1, 2