Примеры превращения
Поднятая гиря над Землёй обладает каким-то потенциальным значением. Если тело отпустить, она будет уменьшаться. При этом скорость гири по мере движения вниз начнёт увеличиваться. Значит, можно утверждать, что кинетическая энергия будет возрастать. Получается, что уменьшение значения первой сопровождается приростом величины второй.
Правда, для этого должны выполняться некоторые условия. Например, эту гирю можно спустить с наклонной плоскости. В этом случае будет присутствовать трение. В результате движение может быть равномерным. Так как тело опускается, его потенциальная величина снижается, но из-за того, что нет разгона, кинетическое значение не изменяется, поэтому в этом случае энергия преобразовываться не будет.
Если тело захотеть подбросить, ему нужно сообщить Ek за счёт работы бросающего. Но в какой-то момент кинетическое значение, которым обладает тело, станет равным нулю, и оно остановится.
Таким образом, можно утверждать, что если в системе отсутствует трение, превращаться энергия из одного вида в другой будет симметрично: насколько уменьшается одна, на столько же произойдёт приращение другой. Значит, их сумма будет постоянной величиной. Называется она внутренней энергией.
Наглядно увидеть, как преобразуется энергия, можно на устройстве, которое называется нитяной маятник. Состоит они из кронштейна, на котором подвешен шар. Если тело отводить в сторону, для этого нужно прикладывать силу, то есть совершать работу. Она идёт на сообщение потенциала. В тот момент, когда шар отпускается, он под действием силы тяжести стремится опуститься.
Высота становится меньше, и потенциал уменьшается. В самой нижней точке он будет равняться нулю. Зато Ek наберёт своё максимальное значение. Но тела обладают свойством инерции, и шар начнёт снова подниматься. Сопротивление воздуха — ничтожно малая величина, поэтому тело займёт ту же самую высоту, но с противоположной стороны. Его потенциал опять вырастет, поэтому можно сказать, что какие превращения энергии бы не проходили, мерой преобразования будет работа.
В качестве яркого примера перехода можно описать работу бытового нагревателя. Электрическая энергия поступает на спираль, которая оказывает сопротивление току. В результате происходит превращение электричества в свет и тепло.
Результаты плана
В 1935 году принятая программа была выполнена и перевыполнена. Построено 40 электростанций вместо запланированных 30, введено мощностей почти втрое больше, чем предусматривалось по плану. Возведено 13 электроцентралей мощностью по 100 тыс. кВт каждая. Общая мощность российских ГЭС составила около 700 000 кВт.
В эти годы были возведены крупнейшие объекты стратегического значения, такие как всемирно известная Днепровская ГЭС. По суммарным показателям Единая советская энергосистема превзошла аналогичные системы самых развитых стран Нового и Старого Света. Производство электроэнергии по странам Европы в те годы значительно отставало от показателей СССР.
Способы получения электроэнергии. Грозовая энергетика.
Суть работы грозоэлектростанций заключается в получении электроэнергии из грозовых облаков. Подобные электростанции в буквальном смысле ловят молнии и направляют пойманную электроэнергию в электросети. Для этого созданы мощные лазеры, с помощью них ионизируется воздух, тем самым создаются каналы для прохождения молний. По ионизированным каналам мощные разряды попадают прямиком в накопители, способные заряжаться за доли секунды.
Однако, на сегодняшний день, подобные накопители еще не созданы. В нескольких странах, в том числе и России, были попытки строительства подобных электростанций, но пока каких-либо значимых результатов не обнародовано.
Понятие трансформатора
Трансформатор – электромагнитное статическое устройство, предназначенное для преобразования одной системы тока в другую (вторичную) при помощи электромагнитной индукции.
Первые трансформаторы в 1876 г. были предложены П. Н. Яблочковым. В 1885 г. венгерскими учеными разработаны промышленные однофазные приборы. В 1889-1891 гг. изобретен трехфазный трансформатор.
Простейший однофазный трансформатор состоит из стального сердечника и пары обмоток. Применяются они для распределения и передачи электроэнергии, ведь генераторы электростанций вырабатывают ее при напряжении от 6 до 24 кВт. Передавать ее выгодно при больших значениях (от 110 до 750 кВт). Для этого на электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы.
Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии
Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.
First Solar Inc.
Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.
Vestas Wind Systems A/S
Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.
Atlantica Yield PLC
Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.
ABB Ltd. Asea Brown Boveri
Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.
Читайте: Персональный мир и полная автоматизация. Что такое четвёртая промышленная революция?
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 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.
Мощность
При наличии тока в проводнике совершается работа против сил сопротивления. Электрическое сопротивление любого проводника состоит из двух составляющих:
- активное сопротивление — сопротивление теплообразованию;
- реактивное сопротивление — «сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно)» (БСЭ) .
Как правило, большая часть работы электрического тока выделяется в виде тепла. Мощностью тепловых потерь называется величина, равная количеству выделившегося тепла в единицу времени. Согласно закону Джоуля — Ленца мощность тепловых потерь в проводнике пропорциональна силе протекающего тока и приложенному напряжению:
P=IU=I2R=U2R{displaystyle P=IU=I^{2}R={frac {U^{2}}{R}}}
Мощность измеряется в ваттах.
В сплошной среде объёмная мощность потерь p{displaystyle p}определяется скалярным произведением вектора плотности тока j→{displaystyle {vec {j}}}и вектора напряжённости электрического поля E→{displaystyle {vec {E}}}в данной точке:
p=(j→E→)=σE2=j2σ{displaystyle p=left({vec {j}}{vec {E}}right)=sigma E^{2}={frac {j^{2}}{sigma }}}
Объёмная мощность измеряется в ваттах на кубический метр.
Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны λ{displaystyle lambda }, зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:
R=3200(Lλ){displaystyle R=3200left({frac {L}{lambda }}right)}
Наиболее применяемому электрическому току со стандартной частотой 50 Гц соответствует волна длиной около 6 тысяч километров, именно поэтому мощность излучения обычно пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается, соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной.
Электрохимия
Электрохимическая выработка энергии происходит в процессе прямого преобразования энергии химических связей в электричество, как, например, в батарее
Электрохимическое производство электроэнергии важно в портативных и мобильных приложениях. В настоящее время большая часть электрохимической энергии поступает от батарей
Первичные элементы, такие как обычные цинк-углеродные батареи, действуют непосредственно в качестве источников энергии в то время, как вторичные элементы (аккумуляторные батареи) используются хранения электроэнергии, а не для её выработки. Открытые электрохимические системы, известные как топливные элементы, могут использоваться для извлечения энергии из природного или синтетического топлива.
В местах, где много соленной и пресной воды возможно создание осмотических электростанций.
Потребление электроэнергии
Почти до 1850 года основными источниками энергии были древесина, ветер, проточная вода, энергия животных и людей.
Около 150 лет назад люди начали использовать ископаемое топливо: уголь, нефть и газ.
Первые динамо-машины положившие начало роли электричества в жизни человека появились также около 150 лет назад.
Около 50 лет назад ядерное деление урана стало важным источником вскрыв проблемы ядерной энергетики.
Все эти источники для выработки электроэнергии являются невозобновляемыми.
Растущая эксплуатация невозобновляемых источников энергии приводит не только к их истощению, но и создает серьезные экологические проблемы. Нефть, газ и уголь являются сырьем для химической промышленности и должны храниться для будущего поколения. Упомянутые выше ископаемые виды топлива (кроме урана) были созданы в результате фотосинтеза и биологических процессов – то есть в результате солнечной активности в предыдущие эпохи.
Мировое население все еще быстро растет, и некоторые исследования предсказывают мировое население в 9 миллиардов человек в 2040 году по сравнению с 7,7 миллиардам человек, живущих на этой планете сегодня. Сколько людей может выдержать Земля вопрос сложный, ведь все эти люди будут нуждаться в ресурсах, которые увеличивают глобальное потребление энергии. Кроме того, потребление энергии на душу населения связано с уровнем жизни в стране. Эта очень серьезная энергетическая ситуация сейчас понятна всему миру.
В развитых странах предпринимаются большие усилия в области использования возобновляемых источников энергии, включая солнечную, ветра и воды, геотермальную, а также другие виды. Около 1,2 миллиарда из 7,7 миллиардов человек во всем мире по-прежнему не имеют доступа к электросети.
65% электроэнергии поступает из ископаемых видов топлива, где уголь является доминирующим источником.
Атомная энергетика отвечает за 16% мирового производства электроэнергии.
Гидроэнергетика за 19% – самый большой вклад среди возобновляемых источников энергии.
При переходе от химической и ядерной энергии к электроэнергии теряется две трети. Одна треть превращается в электричество.
До настоящего времени транспорт не играет существенной роли в потреблении электроэнергии. Однако ожидается, что в ближайшие десятилетия потребление электроэнергии, связанное с транспортом, увеличится, поскольку увеличивается количество электромобилей. Целый ряд видов человеческой деятельности, включая жилье, торговлю и коммерцию, промышленность, транспорт и сельское хозяйство зависят от электроэнергии. Многие страны столкнулась с серьезным энергетическим кризисом за последние два десятилетия. В результате промышленного развития и роста численности населения спрос на ресурсы значительно возрос по сравнению с ростом производства.
Таким образом, предложение энергии намного меньше, чем фактический спрос, в результате чего возник кризис. Энергетический кризис можно определить как любое серьезное узкое место (или рост цен) в поставках энергетических ресурсов в экономику. Это одновременно замедляет темпы экономической активности и вызывает общественный резонанс с длительными отключениями электроэнергии и газа.
Коэффициент полезного действия
Любой механизм потребляет энергию одного вида (например, электрическую) и превращает ее в энергию другого вида. Коэффициент полезного действия (КПД) механизма тем больше, чем большая часть потребляемой энергии превращается в необходимую энергию. КПД почти всех автомобилей невысок. В среднем автомобиль преобразует лишь 15% химической энергии бензина в кинетическую энергию. Вся остальная энергия превращается в тепло. КПД флуоресцентных ламп выше КПД обычных электрических лампочек, поскольку во флуоресцентных лампах больше электричества превращается в свет и меньше уходит на производство тепла.
Способы получения электроэнергии на основе пьезоэлектрических эффектов.
Эффект пьезоэлектричества открыт братьями Кюри в 1880г. Суть его заключается в том, что при принудительной деформации отдельных кристаллов, таких как природный кварц, на их поверхности появляется электро-заряд. И если разместить на его гранях электроды, присоединенные к нагрузке, то при сжатии или растягивании через нагрузку пройдет короткий электро-импульс.
Таким образом, если разместить множество пьезоэлектрических кристаллов, например под дорожным полотном и соединить их проводниками, то при проезде машин дорога начнет вырабатывать электроэнергию.
В этой публикации мы освятили далеко не все способы получения электроэнергии, а как мы думаем, самые перспективные. Так что будущее покажет. Удачи….
Виды альтернативной энергетики
В зависимости от источника энергии, который в результате преобразования позволяет получать человеку электрическую и тепловую энергии, используемые в повседневной жизни, альтернативная энергетика классифицируется на несколько видов, определяющих способы ее генерации и типы установок служащих для этого.
Энергия солнца
Солнечная энергетика основана на преобразовании энергии солнца, в результате которого получается электрическая и тепловая энергии.
Получение электрической энергии основано на физических процессах, происходящих в полупроводниках под воздействием солнечных лучей, получение тепловой – на свойствах жидкостей и газов.
Для генерации электрической энергии комплектуются солнечные электростанции, основой которой служат солнечные батареи (панели), изготавливаемые на основе кристаллов кремния.
Основой тепловых установок — служат солнечные коллекторы, в которых энергия солнца преобразуется в тепловую энергию теплоносителя.
Мощность подобных установок зависит от количества и мощности отдельных устройств, входящих в состав тепловых и солнечных станций.
Энергия ветра
Ветровая энергетика основана на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в электрическую энергию, используемую потребителями.
Основой ветровых установок служит ветровой генератор. Ветровые генераторы различаются по техническим параметрам, габаритным размерам и конструкции: с горизонтальной и вертикальной осью вращения, различным типом и количеством лопастей, а также по месту их расположения (наземное, морское и т.д.).
Сила воды
Гидроэнергетика основана на преобразовании кинетической энергии водных масс в электрическую энергию, которая также используемую человеком в своих целях.
К объектам данного вида относятся гидроэлектростанции различной мощности, устанавливаемых на реках и иных водных объектах. В таких установках, под воздействием естественного течения воды, или путем создания плотины, вода воздействует на лопасти турбины вырабатывающей электрический ток. Гидротурбина, является основой гидроэлектростанций.
Еще один способ получения электрической энергии путем преобразования энергии воды – это использование энергии приливов, посредством строительства приливных станций. Работа таких установок основана на использовании кинетической энергии морской воды в период приливов и отливов, происходящих в морях и океанах под воздействием объектов солнечной системы.
Тепло земли
Геотермальная энергетика, основана на преобразовании тепла, излучаемого поверхностью земли, как в местах выброса геотермальных вод (сейсмически опасные территории), так и в иных регионах нашей планеты.
Для использования геотермальных вод используются специальные установки, посредством которых внутреннее тепло земли преобразуется в тепловую и электрическую энергии.
Использования теплового насоса позволяет получать тепло из поверхности земли, вне зависимости от места его расположения. Его работа основана на свойствах жидкостей и газов, а также законах термодинамики.
Биотопливо
Виды биотоплива различаются по способам его получения, его агрегатному состоянию (жидкое, твердое, газообразное) и видам использования. Объединяющим все виды биотоплива показателем, служит то, что основой для их производства служат органические продукты, посредством переработки которых получается электрическая и тепловая энергии.
Твердые виды биотоплива — это дрова, топливные брикеты или пеллеты, газообразные – это биогаз и биоводород, а жидкие – биоэтанол, биометанол, биобутанол, диметиловый эфир и биодизель.
Тепловые электрические станции – ТЭС
На тепловых электростанциях России производится примерно 70% всей электрической энергии. Они работают на мазуте, газе, угле, а в определенных местностях используется торф и сланцы.
Все ТЭС можно условно разделить на два основных вида. Первый вариант является так называемым паротурбинным, где первичным двигателем служит паровая турбина. Эти устройства могут быть конденсационными (КЭС), вырабатывающими только электроэнергию, и теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), производящими не только электричество, но и тепло. Коэффициент полезного действия ТЭЦ составляет 60-70%, а у КЭС этот показатель равен 30-40%. Основным недостатком тепловых станций считается их обязательная привязка к потребителям тепла.
Положительных качеств у тепловых электростанций значительно больше. Они свободно размещаются на всех территориях, где имеются природные ресурсы и не подвержены сезонным колебаниям погодных условий. Однако, используемое топливо является не возобновляемым, а сами установки негативно влияют на экологическую обстановку. Российские ТЭС не имеют достаточно эффективных систем очистки выходящих газов от вредных и токсичных веществ. Более экологичными считаются газовые установки, но трубопроводы, проложенные к ним, наносят непоправимый вред природе.
Электростанции, расположенные в европейской части Российской Федерации, работают в основном на мазуте и природном газе, а в восточных районах они располагаются возле месторождений угля, добываемого открытым способом. Большинство установок относится к государственным районным электростанциям – ГРЭС, входящим в Единую энергосистему страны.
Использование атомной энергии
В наши дни производство, передача и использование электроэнергии производятся атомными электростанциями — АЭС. Они устроены практически по тому же принципу, что и тепловые.
Главный их плюс — малое количество требующегося топлива. Килограмм обогащенного урана по своей производительности эквивалентен 2,5 тыс. тонн угля. Именно поэтому АЭС теоретически можно строить в любом районе независимо от наличия близлежащих топливных ресурсов.
В настоящее время запасы урана на планете значительно больше, чем минерального горючего, а воздействие АЭС на окружающую природу минимально при условии безаварийной работы.
Огромный и серьезный недостаток АЭС — вероятность страшной аварии с непредсказуемыми последствиями, отчего для их бесперебойной работы требуются очень серьезные меры по обеспечению безопасности. К тому же производство электроэнергии на АЭС регулируется с трудом — как для их запуска, так и для полной остановки понадобится несколько недель. И практически отсутствуют технологии утилизации опасных отходов.
Что такое энергия?
В теории, выдвинутой Альбертом Эйнштейном, изучается взаимосвязь материи и энергии. Этот великий ученый смог доказать способность одной субстанции превращаться в другую. При этом выяснилось, что энергия является самым важным фактором существования тел, а материя вторична.
Энергия – это, по большому счету, способность выполнять какую-то работу. Именно она стоит за понятием силы, способной двигать тело или придавать ему новые свойства. Что же означает термин «энергия»? Физика – это фундаментальная наука, которой посвятили свою жизнь многие ученые разных эпох и стран. Еще Аристотель использовал слово «энергия» для обозначения деятельности человека. В переводе с греческого языка «энергия» — это «деятельность», «сила», «действие», «мощь». Первый раз это слово появилось в трактате ученого-грека под названием «Физика».
В общепринятом сейчас смысле данный термин был введен в обиход английским ученым-физиком Томасом Юнгом. Это знаменательное событие произошло в далеком 1807 году. В 50-х годах XIX в. английский механик Уильям Томсон впервые использовал понятие «кинетическая энгергия», а в 1853 г. шотландский физик Уильям Ренкин ввел термин «потенциальная энергия».
Сегодня эта скалярная величина присутствует во всех разделах физики. Она является единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи. Другими словами, она представляет собой меру преобразования одних форм в другие.
Преимущества и недостатки гидроэлектростанций
По своей значимости, ГЭС находятся на втором месте после тепловых электростанций. В своей работе они используют энергию воды, преобразующейся в электрический ток, и относящейся к возобновляемым ресурсам. Простое управление такими станциями не требует большого количества персонала. Коэффициент полезного действия доходит до 85%.
Электричество, производимое на ГЭС считается самым дешевым, его цена примерно в 5-6 раз меньше, чем на тепловых электроустановках. Гидроэлектростанции отличаются высокой маневренностью и могут быть запущены в работу в течение 3-5 минут, тогда как на ТЭС для этого требуется несколько часов
Это качество особенно важно при перекрытии пиковых нагрузок в суточном графике электроснабжения
Основными недостатками подобных сооружений являются:
- Значительные капиталовложения на их возведение.
- Привязка к определенной территории или местности с гидроресурсами.
- В процессе строительства затапливаются огромные территории, большие сельскохозяйственные площади выводятся из пользования, наносится ущерб рыбному хозяйству, нарушается экологическое равновесие.
- Полная мощность электростанции реализуется лишь в определенное время года, в период максимального подъема воды.
На российских реках сооружаются целые каскады гидроэлектростанций. Наиболее крупными считаются Ангаро-Енисейский каскад, включающий Братскую, Красноярскую, Саяно-Шушенскую, Усть-Илимскую ГЭС, а также Волжский каскад с Рыбинской, Угличской, Иваньковской, Саратовской, Волжской и другими ГЭС.
Достаточно перспективным направлением считается гидроаккумулирующая электростанция – ГАЭС. В основе их работы заложен принцип действия, связанный с цикличным перемещением одинакового объема воды между верхним и нижним бассейнами. Ночью за счет излишков электроэнергии вода подается снизу-вверх, а в дневное время при резком росте энергопотребления она сбрасывается вниз и вращает турбины, производя электричество. Эти станции совершенно не зависят от естественных колебаний речного стока, а под водохранилища требуется гораздо меньше затапливаемых площадей.
