Источники энергии

Биоэнергетика

Биоэнергетика позволяет из биотоплива разного вида получать энергию и тепло. Биоэнергетика сейчас находится в стадии активного развития. Крупные промышленные и сельскохозяйственные предприятия активно переходят на биотопливо, что дает им получать электроэнергию и тепло из органического мусора.

К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии. Альтернативное биотопливо бывает твердым (отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидким (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).

Основными преимуществами является утилизация органического мусора, снижение уровня загрязнения окружающей среды. Биотопливо изготавливается из различного сырья, такого как навоз, отходы сельскохозяйственных культур и растений, выращенных специально для топлива. Это возобновляемые ресурсы, которые, вероятно, не закончатся в ближайшее время. Биотопливо снижает выбросы парниковых газов. Кроме того, при выращивании культур для биотоплива они частично поглощают оксид углерода, что делает систему использования биотоплива ещё более устойчивой.

Биотопливо довольно легко транспортировать, оно обладает стабильностью и довольно большой «энергоплотностью», его можно использовать с незначительными модификациями существующих технологий и инфраструктуры.

К недостаткам применения биотоплива относятся:

— ограничения региональной пригодности (в некоторых местностях просто невозможно выращивать биотопливные культуры, например, в местности с холодным или засушливым климатом).

— водопользование – чем меньше воды используется для выращивания сельскохозяйственной культуры, тем лучше, так как вода является ограниченным ресурсом.

— продовольственная безопасность (слишком активное выращивание биотоплива может привести к голоду). Проблема с выращиванием сельскохозяйственных культур для топлива заключается в том, что они займут землю, которую можно было бы использовать для выращивания продуктов питания.

— разрушение среды обитания животных и риск изменения окружающей среды, вследствие применения удобрений и пестицидов при выращивании биотопливных культур (чаще всего это монокультуры для удобства выращивания).

Магнитная энергия

Магниты используются для захвата магнитных материалов, таких как гайки и болты.

Способность объекта выполнять работу из-за его положения в магнитном поле является потенциальной энергией магнитного поля. Магниты имеют магнитное поле и две области, называемые магнитными полюсами. Равные полюса отбрасываются, а разные полюса притягиваются. Наиболее используемые магнитные материалы — это железо и его сплавы.

Например, железный винт, который приближается к магниту, но не касается его, обладает потенциальной магнитной энергией. Объекты движутся в направлении, которое уменьшает их потенциальную магнитную энергию.

Микрофоны, например, хорошо работают благодаря магнитной энергии. Операция заключается в следующем: микрофон имеет мембрану, которая вибрирует со звуком. Эта вибрация передается на кабель, обмотанный вокруг магнита, который посылает электрический сигнал на усилитель, делая звук громче. В этом случае мы имеем преобразование звуковой энергии в магнитную энергию, затем электрическую энергию и затем звуковую энергию.

Железные дороги с электромагнитной подвеской — еще один пример того, как мы можем использовать магнитную энергию для выполнения работы. Железная дорога движется через магнитное поле, которое движется вдоль ферромагнитного пути.

Физика для средней школы

Внутренняя энергия тел

Согласно MKT все вещества состоят из частиц, которые находятся в непрерывном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом. Поэтому, даже если тело неподвижно и имеет нулевую потенциальную энергию, оно обладает энергией (внутренней энергией), представляющей собой суммарную энергию движения и взаимодействия микрочастиц, составляющих тело.

В состав внутренней энергии входят:

1. кинетическая энергия поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
2. потенциальная энергия взаимодействия атомов и молекул;
3. внутриатомная и внутриядерная энергии.

В термодинамике рассматриваются процессы при температурах, при которых не возбуждается колебательное движение атомов в молекулах, т.е. при температурах, не превышающих 1000 К. В этих процессах изменяются только первые две составляющие внутренней энергии. Поэтому под внутренней энергией в термодинамике понимают сумму кинетической энергии всех молекул и атомов тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Внутренняя энергия тела определяет его тепловое состояние и изменяется при переходе из одного состояния в другое. В данном состоянии тело обладает вполне определенной внутренней энергией, не зависящей от того, в результате какого процесса оно перешло в данное состояние. Поэтому внутреннюю энергию очень часто называют функцией состояния тела.

Рассчитать внутреннюю энергию можно только для идеального газа.

Так как в идеальном газе молекулы не взаимодействуют между собой, то потенциальная энергия их равна нулю и внутренняя энергия идеального газа представляет собой кинетическую энергию всех его молекул.

Средняя кинетическая энергия молекулы

Число молекул в газе

Следовательно, внутренняя энергия идеального газа

Учитывая, что — универсальная газовая постоянная, имеем

— внутренняя энергия идеального газа. (1)

В частности, для одноатомного газа

Из этих формул видно, что внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры и числа молекул и не зависит ни от объема, ни от давления. Поэтому изменение внутренней энергии идеального газа определяется только изменением его температуры и не зависит от характера процесса, в котором газ переходит из одного состояния в другое:

где

Молекулы реальных газов взаимодействуют между собой и поэтому обладают потенциальной энергией , которая зависит от расстояния между молекулами и, следовательно, от занимаемого газом объема.

Таким образом, внутренняя энергия реального газа зависит от его температуры, объема и структуры молекул.

Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.

Энергия приливов и волн

Мировой океан аккумулирует энергию в разных видах: энергию биомассы, энергию приливов и отливов, энергию океанических течений, тепловую энергию и др. Проблема заключается в том, чтобы найти экономически и экологически приемлемые способы ее использования. По прогнозным оценкам доступная часть энергии Мирового океана во много раз превышает уровень потребления всех энергетических ресурсов в мире.

По оценкам Ocean Energy Systems, к 2050 г. с помощью подобных технологий можно будет вырабатывать 300 ГВт – это столько же, сколько бы производили 250 ядерных реакторов. А UK Carbon Trust прогнозирует, что к тому времени уже возникнет всемирный рынок приливной энергии стоимостью 126 млрд фунтов стерлингов.

В Японии протестировали устройство, которое генерирует электроэнергию из океанических течений. Испытание установки было проведено на юго-западе префектуры Кагошима. Течения у Кагошимы постоянны по силе и направлению. Турбина экспериментального генератора была установлена на уровне 20-50 м под поверхностью воды. Генератор развил мощность производства электроэнергии всего 30 кВт. Конечно, это немного, но главное – изобретение работает. Ученые полагают, что такой метод генерации электричества может быть более стабильным, чем солнечная энергетика. Организация по разработке новых энергетических и промышленных технологий NEDO надеется внедрить эту технологию в промышленное использование к 2020 г.

В США извлекают энергию из волн.

Исследователи Технологического института Джорджии разработали устройство, преобразующее в электричество энергию волн океана очень широкого диапазона частот. Энергия волн океана — самая слаборазвитая отрасль чистой энергетики. Хотя океан потенциально способен обеспечить энергией весь мир, пока что не существует экономически выгодного способа ее извлечения. Основная проблема в том, что океанские волны непостоянны и колеблются с низкой частотой, тогда как большинство генерирующих устройств лучше всего работают с постоянной амплитудой и высокой частотой.

В прошлом году в проливе Пентленд-Ферт на северном побережье Шотландии началась первая фаза строительства крупнейшей в мире приливной электростанции MeyGen, итоговая мощность которой может достичь 398 МВт. Станция способна обеспечить электричеством 175 тыс. домохозяйств. Возобновляемая энергия приливов стала одним из важнейших направлений новой энергетики, развиваемой в Шотландии. Шотландские приливы, одни из самых мощных в Европе, помогут развить эту многообещающую технологию и сократить выбросы углекислого газа. Шотландия планирует полностью (на 100%) перейти на возобновляемую электроэнергию уже в 2030 г. Достигнутый в 2016 г. уровень составил около 60%.

Аналогичные технологии применяются уже и в Северной Америке – на побережье Новой Шотландии. Эта провинция на северо-востоке Канады действительно напоминает Шотландию — и не в последнюю очередь благодаря высоким приливам.

В ноябре прошлого года там, в заливе Фанди начал работу первый в Северной Америке приливной электрогенератор. Он занимает пять этажей и весит тысячу тонн, его мощность – 2 МВт, что достаточно для питания 500 домов.

В области разработки новейших решений для использования энергии приливов лидирует Великобритания. Этому способствует идеальная схема приливов и благоприятная регулятивная среда. Канада, Китай и Южная Корея также демонстрируют устойчивый прогресс. США также являются одним из основных центров инноваций в данной сфере.

Основные плюсы – высокая экологичность и низкая себестоимость получения энергии.

К главным минусам приливных электростанций относятся высокая стоимость их строительства и суточные изменения мощности, из-за которых электростанции этого типа целесообразно использовать только в составе энергосистем, использующих также и другие источники энергии.

Достоинства и недостатки альтернативных источников энергии в мире

Альтернативные источники энергии — альтернативная энергия во всем мире

Альтернативные источники энергии — преимущества

• Доступность. Особенно выгодно для стран, не обладающих нефтяными или газовыми месторождениями. Однако, это относится не ко всем видам. Например, если страна не имеет выхода к морю, получать волновую энергию она уже никак не сможет; так же и с геотермальной энергией, которую можно преобразовывать только в вулканических районах.
• Экологичность – в процессе образовании тепла и электричества не происходит вредных выбросов в окружающую среду.
• Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.

Альтернативные источники энергии — недостатки и проблемы

• Требует больших затрат на этапе строительства и обслуживания, так как расходные материалы с оборудованием дорогие. Это приводит к повышению итоговой цены электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Единственное, что может помочь — это снижение себестоимости установок разработчиками.
• Зависимость от факторов природы: сила ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии не подлежит контролю, плюс географическое расположение.
• Низкий КПД наряду с маленькой мощностью установок (исключение ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления.
• Влияние на климат. Возьмем к примеру, спрос на биотопливо. Он повлек за собой сокращение посевных площадей для продовольственных культур, а на характер рыбных хозяйств повлияли плотины для ГЭС.

Гидроэнергетика в мире

Гидроэнергетика использует большие площади и не является основным вариантом на будущее в развитых странах потому, что большинство крупных мест в этих странах, имеющих потенциал для освоения гидроэнергетики, либо уже эксплуатируются или недоступны по другим причинам, например из экологических соображений. Главным образом в Китае и Латинской Америке ожидается рост гидроэнергетики до 2030 года. Китай в последние годы ввел в эксплуатацию на $26 млрд гидроэлектростанций, которые производят 22,5 ГВт. Гидроэнергетика в Китае сыграла определенную роль переместив свыше 1,2 миллиона человек с мест расположения плотин.

Главным преимуществом гидросистем является их способность обрабатывать сезонные (а также ежедневные) высокие пиковые нагрузки. На практике использование хранимой энергии воды иногда осложняется требованиями для орошения, которые могут произойти в противофазе с пиком нагрузок.

Запуск из реки гидросистем обычно гораздо дешевле, чем создание плотин и имеет потенциально более широкое применение. Мелкие гидроэлектростанции под 10 МВт представляют около 10% мирового потенциала и большинство из них работают из реки.

Существует три типа гидроэнергетических сооружений: гидроэлектростанции, насосные станции, гидроаккумулирующие электростанции.

Зачем нужны промежуточные источники

Эти промежуточные формы используются потому, что они являются гибкими и транспортабельными, которые позволяют перемещать энергоснабжение практически в любое место при наличии построенных систем.

Хотя приятно наслаждаться солнечным светом, но он не заряжает батарею в сотовом телефоне. Для того чтобы придать ей определенную форму, требуется  технология преобразования энергии.  Затем она перемещается с помощью технологии распределения, например, с помощью трубопроводов или электрической сети.   При создании вторичной энергии всегда есть потери из-за второго закона термодинамики (закон роста энтропии замкнутой системы).

Биомасса

Источником энергии будущего является биомасса или биотопливо, которое включает в себя высвобождение химических ресурсов, хранящихся в органических веществах, таких как древесина, сельскохозяйственные культуры и животные отходы. Эти материалы сжигаются непосредственно для получения тепла или очищаются для создания алкогольного топлива, такого как этанол.

Но в отличие от некоторых других возобновляемых источников энергии, энергия биомассы не является чистой, так как при сжигании органического вещества производится большое количество углекислого газа. Однако можно компенсировать или устранить эту разницу, посадив быстрорастущие деревья и травы в качестве топлива. Ученые также экспериментируют с использованием бактерий для разрушения биомассы и получения водорода для использования в качестве топлива.

Одно интересное, но спорное альтернативное биотопливо включает в себя процесс, известный как тепловая конверсия.

В отличие от обычного биотоплива тепловая конверсия может преобразовать практически любой тип органического вещества в высококачественную нефть с водой в качестве единственного побочного продукта.

Геотермальная энергия или энергия тепла Земли

Она может использоваться по прямому назначению, либо для получения электроэнергии. Преобразование энергии происходит на геотермальных станциях – ГеоТЭС.

Источники геотермальной энергии могут быть высоко- и низкопотенциальными. К высокопотенциальным источникам относятся гидротермальные ресурсы (термальная вода). Их применяют для отопления помещений.

Низкопотенциальные источники энергии, в свою очередь, бывают естественными (воздух атмосферы, грунтовая вода, сам грунт) и искусственными (вентиляционный воздух помещения, отработанные воздух, вода или тепло). Данные источники применяют для кондиционирования, теплоснабжения и горячего водоснабжения.

Геотермальные станции

Геотермальная энергетика базируется на использовании естественого тепла Земли и горячих источников в ее недрах. Добываемый пар поступает по трубам на поверхность и вращает турбины. Стоимость электроэнергии включает в себя затраты на бурение скважин и очистку от газов, вызывающих коррозию металла. Но благодаря отсутствию котла, систем удаления дыма и топки издержки относительно невелики.

К недостаткам таких электроустановок относится высокое содержание растворенных в горячей воде вредных газов, которые могут привести к заражению окружающей среды, а также необходимость учета геологических и сейсмологических ограничений для недопущения провала грунта вокруг скважины.

Это интересно: Как выбрать газовую колонку: какая лучше и почему + видео

Преобразование энергии

Энергия может передаваться от одного объекта к другому. Если вы касаетесь горячего объекта, тепло передается на ваши пальцы. Передача не влечет за собой изменения в типе энергии.

Преобразования или изменения происходят вокруг нас все время. При преобразовании энергия изменяется от одного типа к другому или на несколько различных типов. Электрическая лампочка преобразует электрическую  в световую и инфракрасную.

Происходит преобразование энергии:

• внутри вашего тела-движущаяся мышца
• внутри электроприборов
• в физических процессах – молния

В трансформации важно определить затраты и выход. Иногда передачи и преобразования энергии происходят один за другим

Это называется энергетической цепью.

Например, преобразование энергии в фонарике:

• Батареи преобразовывают химическую потенциальную в электрическую. Лампочка изменяет электрическую энергию в тепловую и световую.
• Энергетическая цепь записывается как:  химическая потенциальная – – – – > электрическая – – – – > тепловая и световая

Уравнения преобразования энергии

Во время преобразования энергия обычно преобразуется в более чем одну форму. Слово уравнение может быть использовано, чтобы показать изменения энергии, которые происходят.

Например, преобразование энергии в тостере:

•  Тостер изменяет электрическую энергию в энергию тепла и света.
• Ввод – электрическая, вывод -тепловая и световая энергия.

Уравнение преобразования энергии тостера:

Электрическая – – – – – > тепловая + световая

Измерение энергии

Джоуль

Научной единицей энергии является джоуль. Это названо в честь британского ученого по имени Джеймс Джоуль. Один джоуль – это очень небольшое количество, поэтому ученые используют килоджоули (кДж).

Если поднять объект на 1 метр весом 1 кг, то объект получит 1 джоуль гравитационной энергии.

Если нагреть 1 мл воды на 1 градус С, то вода получит 4,2 джоулей тепловой энергии.

Что можно использовать в частном доме

Выработка электричества при помощи АЭС нужна не только для фирм и государства, но для частного дома. Имеются разные конструкции, которые вырабатывают электроэнергию нетрадиционным методом.

АЭС позволит вам сэкономить на счетах электричества, а кроме того, вы никогда не останетесь без света при отключении электричества.

Солнечные панели

Этот тип получения электроэнергии поможет получить электричество для дома. Для приобретения этого устройства вам необходимо знать мощность и найти место для фиксирования. Эта покупка в скором времени окупиться и вы даже уйдете в плюс.

Солнечные коллекторы

Принцип действия этой конструкции следующий: она нагревается на солнце, затем направляет накопленное тепло к воде, и тем самым нагревает ее. В результате вы будете всегда иметь горячую воду, а также отопление в любое время.

Ветрогенераторы

Ветровые генераторы собирают энергию, которая будет впоследствии использоваться бытовыми изделиями. Как правило, устанавливают несколько сооружений, которые включаются по очереди в случае аварийного выключения другого.

Тепловые насосы

Прибор всегда нагревает дом до требуемой температуры

Многие оборудования оснащены кондиционером, что особенно важно в жаркую погоду. В роли источника электроэнергии могут применяться различные виды энергий

Производство биогаза

Изготовление биогаза в домашних условиях позволяет заменить использование традиционного топлива на недорогой аналог. Такую конструкцию можно изготовить своими руками или приобрести в магазине.

Мини гидроэлектростанция

Мини гидроэлектростанция — это маленькая станции, которая вырабатывает электричество для жилья.

Применяют это сооружения с целью главного или запасного источника электроэнергии. Переносные ГЭС хорошо подойдут для местностей, к которым трудно добраться.

Прочие возможности

Имеются и другие возможности для выработки электричества, но они обойдутся вам в значительную сумму. К примеру, водородные котлы, которые пришли на замену традиционному отоплению дома без выбросов вредных веществ. Тепло вырабатывается за счет прохождения хим. реакций между водородом и кислородом.

Биоэнергия

Биоэнергию производят из разных видов биологического сырья, которое получается после переработки биоотходов. Из твердых (щепа, пеллеты, древесина, солома), жидких (биоэтанол, биометанол, биодизель) и газообразных (биогаз, биоводород) видов биологического топлива путем термохимических (пиролиз, сжигание), физико-химических (биоконверсия), либо биохимических (анаэробное брожение биомассы) методов преобразования получают тепловую или электрическую энергию.

Преимущества и недостатки альтернативных источников энергии следует рассматривать в индивидуальном порядке, однако выделим несколько общих плюсов и минусов, характерных для всех источников.

Плюсы

• Если все сделано правильно, геотермальная энергия не производит вредных побочных продуктов.
• Как только построено геотермальное растение, оно, как правило, самодостаточно энергично.
• Геотермальные электростанции, как правило, небольшие и мало влияют на природный ландшафт.

Конструкция

Конструкция элемента влияет на принцип его работы. Каждый источник, который выдает электрический ток, имеет определенную конструкцию:

Самый простой бытовой аккумулятор включает в себя металлический корпус, внутри которого используется щелочная среда. Дополнительными элементами являются свинцовые пластины, на которых накапливаются катоды и аноды.

Аккумулятор

Обычная бытовая батарейка с входящим в её состав сухим элементом имеет металлический корпус, в который помещен стержень-накопитель катодов. Всё прочее пространство заполнено солевым электролитом.

Батарейка

Генератор переменного тока – это устройство, состоящее из трещоток или металлической рамки.

Механический принцип устройства

Тепловой источник тока, который уже включен в цепь. Это обычная рамка, установленная на подставке из диэлектрика. Обычно, конструкция подключена к измерительному прибору, типа амперметра. Источник тепла – это пламя или внешний электрический импульс.

Тепловое устройствоВажно! Подобная конструкция помогает точно понять, как образуется энергия, которая впоследствии преобразуется в ток. Каждый вариант строения обычно заключен в специальный корпус из диэлектрического материала

Ветер

Взяв концепцию ветряных мельниц на шаг дальше и выше, ученые хотят создавать электростанции в небе, плавающие в воздухе ветряные мельницы на высоте от 1000 метров. Устройство с винтами будет стабилизироваться на одном месте, а электричество будет подаваться на землю через кабель.

Энергия ветра в настоящее время составляет всего 0,1 процента от мирового спроса на электроэнергию. Это число, как ожидается, увеличится, поскольку ветер является одной из самых чистых форм энергии и может генерировать энергию до тех пор пока дует ветер.

Проблема, конечно, в том, что ветры не всегда дуют, и на ветроэнергетику нельзя полагаться, чтобы производить постоянное электричество. Существует также озабоченность по поводу того, что ветряные электростанции могут оказывать влияние на местную погоду таким образом, который еще предстоит полностью понять.

Ученые надеются, что поднятие ветряных мельниц в небо решит эти проблемы, так как ветры на высоте дуют гораздо сильнее и более постоянно на больших высотах.

Основная классификация альтернативных источников энергии

Это интересно: Бойлер косвенного нагрева своими руками — принцип работы и устройство

Заключение

В современном модернизированном обществе существует большой выбор альтернативных видов энергии. Как правило выбор этот зависит от ресурсов, доступности, географического места расположения, финансовой возможности оплатить установку и дальнейшую эксплуатацию. Для своих частных нужд при наличии свободного времени и умения владеть ручным инструментом, можно создать установки, с целью использования альтернативных источников энергии как электрической, так и тепловой. С описанием и принципами работы альтернативных источников энергии вы уже ознакомились. Каждый из видов достоин внимания и развития для пользы всего человечества и сохранения природы в планетарном масштабе.

Похожие записи:

Радиоволна — radio wave Лада largus бортжурнал дхо из штатных ламп ларгуса Выбираем пленочный теплый пол (инфракрасный): виды, безопасность, монтаж, производители Оптоволоконные линии связи: неограниченные возможности Какой дифавтомат поставить? Рекани анжело люстры