Физика и энергетика
Вы не раз видели, как подпрыгивает крышка закипающего кофейника, как несутся санки по склону горы, как набегающая волна приподнимает плот. Всё это примеры работы, энергии в действии, действующей на предметы.
Подпрыгивание крышки кофейника было вызвано давлением пара, возникшем при нагревании жидкости. Санки ехали потому, что существуют гравитационные силы. Энергия волн двигала плот.
В нашем работающем мире основой всего является энергия, без неё не будет совершаться работа. Когда энергия имеется в наличие и может быть использована, любой объект будет совершать работу иногда созидательную, иногда разрушительную. Даже музыкальный инструмент-рояль-спосбен совершать работу.
Представьте себе, что вдоль внешней стены многоквартирного дома поднимают рояль. Пока люди тянут за веревки, они прилагают силу, заставляющую двигаться рояль. В этом случае работу совершают люди, а не рояль. Он лишь накапливает потенциальную энергию по мере того, как всё выше и выше поднимается над землёй. Когда, наконец, рояль достигает пятого этажа, он сможет висеть на этом уровне до тех пор, пока люди внизу поддерживают его с помощью веревок и блоков. Однако представьте, что веревки обрываются. Немедленно проявится сила гравитации и потенциальная энергия, накопленная роялем, начнёт, высвобождаться. Рояль рухнет вниз. Он расплющит всё, что попадется ему на пути, ударится о тротуар и разобьется вдребезги.
Вся ситуация, разумеется, случайна, и, тем не менее, служит примером того, что и рояль может совершать работу. В данном случае-разрушительную, но всё же работу.
Мир наполнен энергией, которая может быть использована для совершения работы данного характера. Энергия может, находится в людях и животных, камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах.
Энергия солнца:
В последние время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, и хотя этот источник также относится к возобновляемым, внимание, уделяемое ему во всё мире, заставляет нас рассмотреть его возможности отдельно.
Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.
Заметим, что использование всего лишь 0.0125% этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0.5% - полностью покрыть потребности на перспективу.
К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250Вт/м. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного света излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества нужно разместить их на территории 130 000 км!
Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты.
Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счёт солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчётам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1км, требует примерно 10 тонн алюминия.
Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1,17 10тонн.
Из написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае? Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики (после 2100 года) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за счёт солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется "собирать" солнечную энергию на площади от 1 10 до 3 10км. В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет 13 10 км.
Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечёт за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчёты показывают, что для производства 1 Мвт год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетики на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.
Пока ещё электрической энергии, рожденными солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые открыли, что эксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.
Ветровая энергия:
Огромная энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергия ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветра от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все её потребности и электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнерготехнику 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, покрывает всего одну тысячную мировых потребностей энергии.