В современном мире энергетический сектор занимает ключевое место. Это основа общего экономического развития. Без этого жизнь практически невозможна. Энергетический сектор связан с использованием как возобновляемых, так и не возобновляемых источников энергии. И поскольку этот сектор является наиболее значительным прямым потребителем не возобновляемых природных ресурсов, он также является источником экологического ущерба. Энергетический сектор также имеет чрезвычайно серьезные внутренние и внешние политические и экономические изменения и является одним из основных факторов, определяющих тенденции развития любой страны. Он также имеет серьезные финансовые интересы, которые влияют на направление его развития. Импорт и экспорт энергоресурсов также важны для экономики, так как они существуют в разных географических районах. Их доступность варьируется от страны к стране и зависит от географического расположения. В соответствии с текущими требованиями, энергия должна удовлетворять потребности в топливе и энергии с минимальными государственными расходами при соблюдении экологических норм.
Производство электроэнергии зависит от ее потребления. Это не продукт, который можно хранить. Преимущество электричества в том, что оно может легко передаваться на большие расстояния, легко преобразовываться из одного вида энергии в другой — тепловой, световой, механический и т.д. и является экологически чистым ресурсом, хотя производство в той или иной мере загрязняет окружающую среду (например, ТЭС).
Поэтому наличие энергоресурсов имеет важное значение.
В соответствии с типами источников энергии, энергетические ресурсы являются возобновляемыми и не возобновляемыми. К не возобновляемым относятся: уголь, нефть, природный газ; Возобновляемыми являются две группы — прямая (солнечная) и непрямая (ветер, волны, биомасса, гидроэнергетика и т. д.). Третий тип ресурсов — ядерная, приливная и геотермальная энергия.
Не возобновляемые источники энергии:
- Добыча угля. Уголь по-прежнему занимает большую часть энергетического баланса. Он является одним из основных видов сырья, от которого зависит дальнейшее развитие энергетики, а, следовательно, и всей отрасли. Уголь известен как «хлеб промышленности». Угли бывают нескольких видов — бурые, черные, бурые и антрацитовые.
- Добыча нефти — нефть также является очень важным энергетическим ресурсом. Ближний Восток обладает самыми большими запасами нефти. Нефть добывается путем перекачки.
- Добыча природного газа. Природный газ имеет более высокую теплотворную способность и более высокую производительность, чем нефть. Он значительно калорийней, чем уголь. Природный газ также используется для нужд химической, стекольной, фарфоровой и других отраслей промышленности, а также для некоторых ТЭС.
Добыча угля, нефти и природного газа связана с определёнными нарушениями природной среды — изменением рельефа, разрушением пахотных земель, накоплением карьерных материалов, разрушением почвы и т. Д.
Возобновляемые источники энергии:
Лесозаготовка. Древесина является возобновляемым природным ресурсом, но для ее возобновления требуется длительный период времени. В зависимости от типа древесины, лес восстанавливается в сроки от 50 до 100 лет. Неконтролируемая вырубка лесов на равнинах и холмистых участках приводит к их резкому сокращению. Это, в свою очередь, приводит к росту цен на древесину.
Геотермальная энергия — это тепло, идущее из Земли. На Земле хранится огромное количество энергии, не являющейся ископаемым топливом. Это известно как геотермальная энергия. С момента образования Земли происходил постоянный распад минералов, которые входили в ее состав. Многие из них радиоактивны по природе и выделяют большое количество тепла. Это тепло уносится к корке и находит выход, когда на поверхности Земли появляются трещины. Такие вентиляционные отверстия можно приспособить для выработки электроэнергии, что даст нам больше возобновляемых источников энергии.
Видео геотермальная энергия
Почти повсеместно, неглубокие недра или верхние 3-4 метра поверхности Земли поддерживают постоянную температуру от 10 до 16 градусов Цельсия. Вполне естественно использование этой энергии для обогрева или охлаждения.
Прямые применения включают отопление зданий, выращивание растений в теплицах и многое другое.
Горячие сухие горные породы встречаются на глубине 4-6 км. под землей, а в некоторых местах на меньших глубинах. Они также могут быть использованы в качестве источника энергии.
Ядерная энергия. Одним из самых феноменальных явлений во вселенной является превращение материи в энергию. Вся вселенная «питается» этим процессом. Энергия, производимая звездами, в том числе солнцем, происходит от ядерных реакций (синтеза). Ядерная энергия высвобождается путем слияния двух легких водородных ядер в более тяжелое ядро — ядро гелия.
Альтернативная энергетика в современной России
По сравнению с предыдущими годами альтернативная энергетика в России развивается быстрее, но не является преобладающей. Сегодня в стране наибольшая часть энергии добывается с помощью традиционных источников.
Солнечные электростанции
Солнечная электростанция на Урале
Потенциалом для добычи солнечной электроэнергии обладают южные районы страны, а также Западная, Восточная Сибирь и Дальний Восток. В России добывать энергию от Солнца перспективно, поэтому проекты с этим направлением получают государственную поддержку.
ГЭС и приливные электростанции
Россия активно использует водный потенциал для получения электроэнергии: по данным на 2022 год в стране имеется 15 электростанций с мощностью выше 1000 Мегаватт, и также сотни станций с меньшей мощностью. Энергия, выработанная на ГЭС, стоит в два раза меньше, чем выработанная на ТЭС.
Приливные станции требуют больших финансов, поэтому развитие этого направления в РФ не происходит. По прогнозам ученых ПЭС могли бы составить пятую часть добываемой электроэнергии в России.
Ветровые установки
Устанавливать генераторы с горизонтальной осью вращения в России невозможно из-за низкой скорости ветра. Однако часто применяются сооружения с вертикальной осью вращения.
Ветряная электростанция в Ульяновской области
По данным на 2022 год в России суммарная мощность ветровых установок составила 134 Мегаватт. Крупнейшая электростанция в Ульяновской области (мощность — 35 Мегаватт).
Геотермальные станции
В России действуют 5 геотермальных электростанций, три из которых расположены на Камчатке. По данным на 2016 год на этом полуострове ГеоЭС вырабатывает 40% потребляемой электроэнергии.
Применение биотоплива
В России также организовано производство топливо. При этом стране выгоднее разрабатывать твердое биотопливо, чем жидкое. Сейчас производство осуществляется на заводе во Владивостоке.
АЭС
Россия ведет добычу электроэнергии с помощью ядерной энергии и продолжает развиваться в этом направлении. Строятся новые станции, применяются новые способы добычи. По данным 2022 года в России действует 10 атомных электростанций. РФ занимает второе место в мире по мощности генерации электроэнергии с помощью АЭС, первенство в этой отрасли получила Китайская Народная Республика.
Видео про ядерную энергию
Энергия биомассы. Более элементарной формой чистой энергии является биомасса. Люди использовали его по-разному на протяжении тысяч лет. Биомасса – это не что иное, как растения и их остатки, оба из которых являются возобновляемыми источниками энергии. В растениях содержится энергия, которая сохраняется в них в процессе фотосинтеза. Эта энергия расщепляется и становится полезной при сжигании растений. Заводы по производству биомассы – это в основном печи, которые могут расщеплять большое количество сырья. В качестве сырья можно использовать остатки сельскохозяйственных культур, гнилые растения и даже древесные отходы.
Биотопливо, которое также получают из растений и сельскохозяйственных культур. Они отличаются от биомассы как возобновляемые источники энергии, поскольку являются синтетическими по своей природе и не используются для непосредственного производства электроэнергии. Этанол — это основная форма биотоплива, которая создается путем ферментации сахара. Его регулярно смешивают с бензином в качестве автомобильного топлива, поскольку при сгорании выделяется меньше углекислого газа.
Эквивалентная схема — что это?
Сейчас прибегнем к промежуточной модели и введем понятие внутреннего сопротивления
источника электроэнергии. Подключим наш источник к переменному сопротивлению, измерим зависимость выходного напряжения и тока в нагрузке от сопротивления и построим график зависимости напряжения от тока (рис. 1). Эта зависимость называется
нагрузочной характеристикой
или
вольт-амперной характеристикой
. Во многих случаях (например, для гальванических источников — батареек и аккумуляторов) она близка к прямой. А раз так, то возникает мысль — представить источник
эквивалентной схемой
из идеального источника ЭДС и сопротивления. Эквивалентная схема — это схема из идеальных в каком-то смысле элементов, которая ведет себя примерно так же, как реальное устройство.
Рис. 1
Почему вообще эквивалентные схемы получили широкое распространение? Причина этого «случайна»: люди поздно создали компьютеры. Дело в том, что компьютеру можно сообщать информацию о компонентах схемы в любой форме и можно написать программу, которая — если эта информация полна и непротиворечива — сделает расчет схемы. Но если зависимости, которые характеризуют элементы, например вольт-амперные характеристики, нелинейные, то объем вычислений оказывается слишком велик для расчетов вручную. Поэтому и возникло когда-то понятие эквивалентных схем.
На заре физики электричества, когда люди о том, как течет вода, хоть что-то знали, а электричество было совсем внове, для рассмотрения электричества при преподавании применялась «гидродинамическая аналогия» — протекание тока рассматривали как течение воды. Со временем ситуация инвертировалась — для описания гидродинамики стали использовать электрические схемы, тоже в некотором смысле эквивалентные. Для расширения кругозора можно спросить в интернете эквивалентные схемы гидравлических систем
или
эквивалентные схемы электромоторов
.
Теперь вернемся к нагрузочной характеристике, сделаем несколько замечаний и зададим вопросы. Замечание первое — крайние точки называются напряжением холостого хода и током короткого замыкания, их связь с параметрами эквивалентной схемы очевидна — ее можно увидеть на рисунке. Замечание второе — понятие внутреннего сопротивления создано для описания нагрузочной характеристики, и оно соответствует именно линейной модели. Если мы хотим использовать его расширительно и вычислять его для разных участков реальной характеристики, то оно окажется для них несколько различным.
Вопрос 3.
Если вольт-амперная характеристика при малых токах выпукла вниз, а при больших — вверх, как на рисунке 1, то при каких токах внутреннее сопротивление окажется больше и при каких меньше? И еще — можно ли использовать понятие внутреннего сопротивления для определения тепловыделения внутри источника электроэнергии?
Замечание третье — вы, наверное, заметили, что здесь используется термин «источник электроэнергии». Лишь один раз мелькнуло «источник ЭДС», и это было не случайно. В школе вы вперемежку используете выражения «источник ЭДС» и «источник тока». В физике, а точнее в ее инженерно-физической области, которая называется ТОЭ — Теоретические Основы Электротехники (некоторые студенты вздрогнули), эти два термина означают некоторые идеализированные источники электроэнергии. А именно, «источник ЭДС» — это такой, у которого на выходных клеммах всегда одно и то же напряжение (именно это имелось в виду выше, там, где он единственный раз был упомянут). А «источник тока» — это такой, через клеммы которого и через внешнюю цепь протекает всегда один и тот же ток.
Вопрос 4.
Объясните, почему это не всегда возможно. Подумайте, в каких условиях работает такая модель, и придумайте модель реального источника с использованием не источника ЭДС (как выше), а источника тока.
А теперь попробуем выйти за пределы концов нагрузочной прямой. Ведь не зря же мы назвали ее прямой, а не отрезком (это, конечно, шутка). Но сначала еще один, чисто школьный, вопрос: как вдоль нашей прямой — которая пока что отрезок — меняются мощность источника, мощность в нагрузке и коэффициент полезного действия? Если пользоваться моделью с источником ЭДС, как на рисунке 1, то мощность, создаваемая источником, растет с током от P
= 0 до
P
= \( \mathscr{E} \)
I
= \( \mathscr{E}^2 \)/
r
. Мощность в нагрузке проходит через максимум при сопротивлении нагрузки
R
=
r
, а мощность, выделяющаяся в источнике, растет как
rI
2, т.е. всю дорогу — не спалите источник! Ну, а КПД соответственно падает от 100% до 0. При согласованной нагрузке это 50%. Все эти ответы можно дать без вычислений, просто посмотрев на схему и немного подумав.
А теперь — «поверх барьеров»! Что будет с нагрузочной характеристикой, если ток будет больше тока короткого замыкания или будет течь в обратную сторону? Вы все (ну, почти все) делаете это, а некоторые — ежедневно. Разумеется, для того чтобы пропустить через нагрузку ток в обратную сторону, нужен еще один источник напряжения, причем не какой попало. Какой же? И как его включить? А чтобы пропустить через нагрузку ток, больший тока короткого замыкания, тоже нужен дополнительный источник, причем тут его и включать надо иначе, и требований к нему будет не одно, а два. Ток в обратную сторону — это просто режим заряда. А почему аккумуляторы заряжаются, а батарейки или совсем нет или очень плохо, читайте в интернете, ключевое слово — деполяризатор
. Так вот, чтобы ток через нагрузку тек в обратную сторону, в нагрузку включаем источник с большей ЭДС, чем у основного источника, причем навстречу. А чтобы тек ток, больший тока короткого замыкания, в нагрузку включаем источник с большей ЭДС, чем у основного, причем такой, чтобы \( (\mathscr{E}_1 + \mathscr{E}_2)/(r_1 + r_2) > \mathscr{E}_1/r_1 \).
Видео про биоэнергию
Водородная энергия. Водород обладает огромной энергией и может использоваться для питания домов и промышленных предприятий. Водород содержится в воде и является наиболее распространенным элементом на Земле. Вода содержит две трети водорода, но в природе он находится в сочетании с другими элементами. После отделения его можно применять в качестве топлива или для выработки электроэнергии. Водородная энергия является полностью возобновляемой, поскольку она извлекается из воды, которой имеется в изобилии. Она полностью экологична и не оставляет токсичных выбросов в атмосферу. Ее можно производить по запросу, но технология его производства все еще находится на начальной стадии.
Энергия океана. Почти 70% земли покрыто водой. Из-за огромных размеров океанов этот вид энергии имеет гораздо лучший потенциал для производства энергии, чем любой другой источник энергии. Энергия океана может быть использована тремя способами: энергия волн, энергия приливов и преобразование тепловой энергии океана. Приливы и отливы используются генераторами приливной энергии, которая затем используется для движения турбин, которые, в свою очередь, вырабатывают электричество. Приливная энергия преобразует кинетическую энергию в электрическую.
Об устройстве батарейки
Пришла пора спросить, от чего зависят параметры \( \mathscr{E} \) и r
. Когда мы опускаем проводник (в частности, металл) в электролит, ионы из металла начинают переходить в раствор и обратно. Эти потоки зависят, в частности, от прочности решетки проводника, концентрации ионов в растворе и температуры. При переходе ионов электрод заряжается и возникает разность потенциалов между электродом и раствором, образуется
двойной электрический слой
. В итоге устанавливается такая разность потенциалов, чтобы потоки сравнялись и возникло динамическое равновесие. Если опустить в этот же электролит другой проводник, то у него появляется свой потенциал относительно электролита, отличающийся от того, который появился на первом электроде. Таким образом возникла разность потенциалов между электродами, мы изобрели
гальванический элемент
.
Чтобы расширить образование и поразиться человеческой изобретательности, можно набрать в интернете резервные гальванические элементы
. Кстати, вы даже из школьного учебника знаете, что бывают элементы с двумя разными электролитами, разделенными полупроницаемой мембраной; так что здесь дана сильно упрощенная картина.
Что касается внутреннего сопротивления, то оно связано, как обычно, с сопротивлением среды, по которой вынужден течь ток. Это — электролит, т.е. то, что находится между электродами (и выводы, но их сопротивление обычно пренебрежимо мало). Впрочем, раз нагрузочная характеристика не линейна, то сопротивление не постоянно, а само сложно зависит от тока. Причем если мы произнесли слова «двойной электрический слой», значит, мы признали, что среда неоднородна. Внутреннее сопротивление, как ему и положено (помните R
= ρ
L
/
S
?) действительно уменьшается при уменьшении толщины и увеличении площади слоя. Но оно уменьшается и при увеличении шероховатости электродов, а это говорит о большом вкладе в сопротивление именно прикатодного слоя, того самого двойного слоя. В общем, поле для исследований у вас будет — причем эта область физики очень и очень востребована техникой.
Химические источники электрической энергии создают на своих клеммах разность потенциалов, а вокруг них, соответственно, появляется электрическое поле. В электростатике эти вещи неразделимы — у заряда есть поле, силовые линии (при всей условности этого понятия) кончаются и начинаются на зарядах. Вне электростатики может быть и не так — если контур пронизывает переменный магнитный поток, то в контуре возникает электрическое поле, его силовые линии замкнуты, они не начинаются и не кончаются на зарядах. Разумеется, такое поле не потенциально — запустив в этот контур заряд или просто поместив в него замкнутый проводник, мы извлечем из него энергию.
Вопрос 5.
Откуда, кстати, она возьмется?
Пусть источник электроэнергии имеет разность потенциалов между клеммами \( \mathscr{E} \) при I
= 0, т.е. при отсутствии потребления, в режиме холостого хода. Будет ли на клеммах заряд? Иногда уточняют — избыточный заряд, чтобы не услышать, что «какие-то заряды есть всегда — протоны и электроны в атомах». Естественно, клеммы будут заряжены зарядом
Q
= \( \mathscr{E} \)
C
, где
C
— емкость между клеммами, пропорциональная размеру клемм
D
. Когда мы соединим клеммы сопротивлением
R
, по нему и по ним потечет ток. Если ток будет не бесконечно мал, то напряжение между клеммами уменьшится:
U
<� \( \mathscr{E} \), уменьшится и заряд. Разность зарядов сбросится через это самое сопротивление в виде импульсного тока, длительность этого импульса будет порядка τ = max(
RC
,
D
/
c
), где
c
— скорость света,
R
— сопротивление клемм и нагрузки, оно не включает сопротивление источника
r
. Иными словами, обмен зарядами между клеммами произойдет, даже если мы разорвем цепь источника, т.е. сделаем
r
неограниченно большим.
Казалось бы, экзотическая ситуация? Да, но абсолютно реальная, например — оксфордский электрический звонок
. Если сильно упрощать ситуацию, то это — маятник, шарик на конце нити колеблется, поочередно касаясь контактов высоковольтной батареи и в момент касания заряжающийся от них. При этом внутреннее сопротивление батареи огромно, средний ток потребления ничтожно мал (устройство работает от одной батареи больше века), но время заряда весьма мало, поэтому в импульсе ток значителен. При большом сопротивлении батареи заряд касающегося клемм шарика происходит не током «батареи», а током накопленного на клеммах заряда. Вот оценка параметров: \( \mathscr{E} \) = 103 B,
C
= 10−12 Ф,
Q
= 10−9 Кл, τ = 3 · 10−11 c,
Imax
=
Q
/τ = 30 A, однако средний ток равен отношению
Q
к периоду колебания
T
= 1 c, т.е. 10−9 A.
