Какие можно привести примеры использования воды в качестве источника энергии
Вода уже давно считается источником жизни на Земле. Она представляет собой одно из непростых и удивительных явлений. Она имеет большое число уникальных свойств, на практике которые человечество может выгодно для себя во многих случаях использовать. Энергию воды, наряду с солнечной энергией, а также ветровой энергией можно рассматривать как возобновляемый источник энергии. Запасов нефти, угля и газа на настоящий момент осталось не очень много, их расход увеличивается с каждым годом, поэтому происходит поиск альтернативных источников энергии, одним из которых является вода.
Целью данной работы является проведение анализа возможностей использования воды при построении альтернативных источников энергии.
Исследования показывают, что энергия воды, была освоена людьми для своих целей еще в древности. Мы можем вспомнить архимедов винт и речные мельницы. Основная идея их работы достаточно проста, но при этом вода может сделать много полезного: под действием движущегося потока воды вращается колесо. При этом происходит превращение кинетической энергии воды в механическую работу колеса. Интересно, что такой же принцип наблюдается на современных гидроэлектростанциях. Но на них происходит переход механической энергии в электрическую.
При анализе возможностей использования энергии можно выделить три вида, в зависимости от преобразований:
1. Энергия приливов и отливов. В течение прилива происходит заполнение специальные больших емкостей, которые находятся на береговой линии. Эти емкости возникают благодаря дамбам. При прохождении отлива вода будет двигаться в обратном направлении. Это движение используется для вращения турбин, а также для преобразования энергии.
2.Энергия морских волн. Можно сказать, что происходящие процессы схожи с указанными в предыдущем пункте. Но при этом есть и некоторые отличия. Такой вид энергии имеет весьма большую удельную мощность (при этом мощность волнения океанов может достигать 15 кВт/м). Если происходит увеличение высоты волны до 2 метров, то мощность может составить до 80 кВт/м.
3. Гидроэлектростанции (ГЭС). Такой вид энергии стал возможным для осуществления вследствие использования одновременного взаимодействия солнца, ветра и водных масс.
Происходит испарение за счет Солнца водных масс с поверхности водоемов. В результате получаются облака. Вследствие дуновения ветра вода в виде газа переносится к горам, где происходит ее охлаждение и она выпадает как осадки. После этого она стекает назад к своим первоисточникам.
Вывод. В работе приведены результаты анализа возможностей построения альтернативных источников энергии с использованием воды.
Какие есть примеры использования воды в качестве источника энергии?
Какие можно привести примеры использования воды в качестве источника энергии?
C давних времен люди использовали воду для получения работы и энергии.Водяные мельницы,на этом же принципе колесо для подъема воды.Более современный способ Гидроэлектростанции падающая с высоты вода вращает лопасти турбины. Приливные электростанции используют энергию морского прилива и отлива. Геотермальные электростанции использование как источник энергии гейзеры.Установки работающие на разности температуры морской воды на поверхности и глубине, в трубе получается паток воды. Проект который хотел применить Кеннеди. Гидролиз воды расщепление на водород и кислород и последующим использованием в двигателях внутреннего сгорания.
Наверное использовать энергию воды человек научился раньше, многих других материалов. Ведь водяные мельницы в том или ином виде появились очень много лет назад. Лопасти этих мельниц использовали энергию текущей воды, вращая различные механизмы и например для обмолота зерна.
Похожий принцип стали использовать в гидроэлектростанциях, но там энергия падающей воды вращает турбины генераторов и помогает вырабатывать электрический ток.
Способность воды испаряться стали использовать в паровых котлах и машинах, в которых вода двигала поршни. Вода сама по себе может служить источником энергии, вернее ее температура. Горячая вода обогревает наши дома, а способов нагреть воду люди придумали множество.
Существуют приливные электростанции, которые используют силу океанских приливов.
Энергия воды
Людям повезло, что на нашей планете находятся достаточно большие залежи полезных ископаемых, способных стать источниками энергии. Но запасы эти не безграничны и постепенно истощаются. Очевидно, что когда-то месторождения природного газа, угля и нефти могут иссякнуть.
Поэтому к самым значительным изобретениям в области энергетики относятся те, которые связаны с открытием новых источников энергии, позволяющих экономить запасы природного сырья. За это их и называют альтернативными источниками энергии. В наши дни такими источниками могут послужить как известные ранее — энергия солнца, текущей воды, ветра, приливов и отливов, подземного тепла (геотермальная энергия), так и открытые сравнительно недавно — энергия плазмы, химических процессов, атома.
Использование энергии движущейся воды — древнейшее открытие
Трудно точно сказать, когда люди научились использовать энергию движущейся воды. Считается, что более 2 тыс. лет вода была фактически единственным источником постоянной энергии вплоть до изобретения в XII в. ветряных мельниц. Еще в древние времена человек заметил, что если до половины погрузить в реку колесо с лопастями, то оно начнет вращаться. Тем самым энергия текущей воды даже в примитивной гидроустановке (от греч. «hydor» — «вода») превращалась в механическую энергию. Так, например, существует исторический документ, который утверждает, что на реке Сене (Франция) в 1682 г. была возведена крупнейшая по тем временам гидроустановка. Она состояла из 13 колес диаметром по 8 м и обеспечивала работу более 200 насосов, которые приводили в действие фонтаны в дворцовых парках.
Как работает водяная мельница
Несмотря на то, что эффективность древних гидроустановок была низкой, она все равно была несопоставимо большей по сравнению с тем, на что были способны люди или животные. Кроме того, эта энергия являлась бесплатной и была подарена самой природой.
Одним из самых древних примеров использования человеком энергии воды является водяная мельница. Водяное колесо в ней насажено на вал жернова. Вода вращает колесо — вращается и жернов, мелет зерно.
По мере развития технологии область применения водяных колес расширилась: их стали использовать не только для помола зерна, но и для приведения в действие станков или насосов. До изобретения парового двигателя число гидроустановок неуклонно росло, но затем наступило затишье. Однако в начале XX в. начался период бурного строительства гидростанций, но уже для выработки с помощью движущейся воды электроэнергии.
Эволюция водяного колеса
Главной деталью древней гидроустановки являлось водяное колесо. Струя воды увлекала за собой лопасти колеса. Оно могло быть расположено как вертикально, так и горизонтально. Водяные колеса, вращающиеся только за счет силы, создаваемой потоком воды, получили название подливных.
В результате множества технических усовершенствований в Средние века появились более эффективные верхненаливные колеса, которые вращались за счет действия веса падающей на них воды. Диаметр таких колес мог достигать 10 м, но даже при этом КПД водяного двигателя оставался низким. Вращаясь со скоростью чуть более 10 об/мин, колеса использовали менее двух третей энергии воды, и их мощность редко превышала 10 кВт.
Струйные и радиальные турбины
В современных гидроустановках водяное колесо заменено более скоростной водяной турбиной. За почти двухсотлетнюю историю эксплуатации было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Наиболее эффективными оказались так называемые струйные и радиальные турбины. По принципу действия струйные турбины схожи с верхненаливными колесами — струя воды под сильным напором ударяла в лопасти турбины и заставляла ее вращаться.
Радиальные турбины чаще используются тогда, когда напор воды невелик, но есть возможность построить плотину и создать перепад по высоте в 10—15 м. В XX в. такие турбины получили широкое распространение в связи с развитием гидроэлектростанций.
Первую гидротурбину подобной конструкции, которая имеет практическое применение, создал французский инженер Бенуа Фурнейрон (1802—1867). В 1832 г. он получил патент на свое изобретение.
В турбине Фурнейрона вода подается в спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Поток воды из кожуха поступает на вогнутые лопатки ротора, расположенного в центре «улитки», и вращает его. Ротором в такой конструкции является рабочее колесо, соединенное с валом турбины. Это колесо и является рабочим органом турбины, преобразующим энергию потока в механическую. Кстати, турбины Фурнейрона были установлены на первой в мире крупной гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде в Канаде.
Энергия приливов и отливов
Еще одним способом извлечения энергии из водных ресурсов планеты являются приливно-отливные станции. Оказалось, что вода морей и океанов, поднимающаяся более чем на десять метров во время приливов, несет с собой практически неограниченный запас энергии. Для ее использования в узких береговых проходах ставят преграду — плотину. Проникая через отверстия в такой плотине, вода вращает колеса или турбины, причем как во время прилива, так и во время отлива.
Существуют также такие гидростанции, на которых во время прилива вода перетекает в закрытый бассейн через шлюзы в дамбе или плотине. Затем шлюзы закрывают, уровень воды в море падает, а задержанная вода, вытекая из бассейна, вращает водяные колеса или гидротурбины.
Это интересно!
Энергию приливов впервые в заметных количествах стали использовать уже во второй половине XVI в. Так, например, жители Лондона (Англия) столкнувшись с перебоями водоснабжения, установили водяные колеса на реке Темзе. Вращаемые то в одну, то в другую сторону приливами, они заставляли работать насосы, закачивающие воду в трубы, по которым она текла в город.
Самая первая и крупнейшая приливно-отливная станция «Ля Ране» была построена в 1966 г. в устье реки Ране (Франция). Протяженность плотины станции составляет 800 м. Благодаря тому, что перепад высот прилива и отлива в этом месте составляет от 12 до 18 м, мощность «Ля Ране» доходит до 240 МВт.
Технологии производства электроэнергии с использованием ресурсов мирового океана
Мировой океан занимает почти 70% поверхности нашей планеты и представляет собой нечто по истине великое и могущественное. Одной из главных его черт является постоянное движение, формируемое волнами, течениями, приливами и отливами. Их зарождению способствуют ветра, гравитационные силы Луны, Солнца, Земли, сейсмические толчки и многие другие факторы. Благодаря этому океаническая масса изобилует энергией, объемы которой во много раз превышают величины, необходимые людям, по крайней мере, на текущий момент.
Немного истории: вода как источник энергии
Использование воды в качестве источника энергии во многом определило вектор человеческого развития. Вертикальное водяное колесо, изобретенное, возможно, за два века до рождества Христова, вошло в широкое использование в течение нескольких сотен лет. К концу римской эпохи водяные мельницы обеспечивали энергией помол зерна, производство ткани, выделку кожи, распиловку дерева и т.п.
В средние века на берегах Англии и Франции начали появляться первые водяные мельницы, которые приводились в движение за счет энергии приливных волн. Конструкция таких устройств была довольно тривиальной – небольшая бухта на морском побережье перегораживалась дамбой, отделявшей бассейн от моря. В дамбе располагались отверстия с затворами и сама приливная мельница. Во время прилива вода через открытые отверстия в дамбе заполняла бассейн. При отливе уровень воды со стороны моря понижался, но в бассейне вода задерживалась, так как отверстия в дамбе закрывались. В XV веке большие фрезерные комплексы находились в абсолютной зависимости от водяной энергии. Изобретение и распространение коленчатого вала позволило применить эту энергию к задачам, требовавшим возвратно-поступательных движений. С течением времени в Европе появляется все больше и больше водно-промышленных комплексов (например, водяные хлопчатобумажные фабрики У. Струтта и Р. Окрайта, функционирующие в течение 1770-х годов в Англии).
В 1910 году для снабжения электроэнергией одного из частных домов в Руайяне (Франция) было использовано устройство, конструкция которого напоминает осциллирующий водяной столб, принципы работы которого используются и сегодня. В этом конструктивном варианте волны, осуществляя толчковые движения, заполняют собой специально изготовленные камеры, в которых содержатся воздушные массы. Воздух сжимается, создается избыточное давление, под действием которого он поступает на турбину, вращая ее лопастные механизмы. Вращательное движение турбины передается на генератор, который вырабатывается электрический ток.
Турбины используют в течение последних 200 лет, и за это время было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Но наиболее эффективными оказались радиальные и струйные турбины. Радиальные используются тогда, когда напор воды невелик, но есть возможность построить плотину и создать перепад высот в 10-15 метров. Такие турбины получили широкое распространение в XX веке в связи с развитием гидроэлектростанций. Струйные турбины по принципу действия схожи с верхненаливными колесами – струя воды под сильным напором ударяет в лопасти турбины и заставляет ее вращаться.
Современность
Сегодня за добычу электроэнергии отвечают целые отдельные отрасли экономики – тепловая электроэнергетика, атомная, гидро, развивается альтернативная (ветер, солнце, геотермальные источники, водород и т.п.). Каждая из них несет в себе как достоинства и недостатки. Одной из главных проблем использования невозобновляемых источников энергии является истощение природных ресурсов и загрязнение окружающей среды. Так, эксплуатация атомных электростанций, как показывает практика, не редко приводит к глобальным экологическим катастрофам; возрастают риски значительного изменения температуры и климата Земли (выбросы углеводородов в атмосферу приводят к увеличению парникового эффекта); ученые предсказывают истощение месторождений угля в течение одного-двух столетий, а нефти – уже через несколько десятилетий (при этом разработка новых месторождений становится все более трудоемкой и дорогостоящей); повышается уровень смертности и заболеваемости населения, в чем экологическая составляющая играет значительную роль. В то же время развитие абсолютно всех отраслей хозяйства не стоит на месте, и постепенно востребованность в большем количестве энергии становится все выше. Можно бесконечно перечислять подобные проблемы, но факт остается фактом – современная мировая экономика построена на использовании невозобновляемых природных ресурсах. И, откровенно говоря, это печально.
Но вместе с тем нельзя не отметить то, что хоть и малая, но все же часть общества понимает, что вопросы сохранения и воспроизводства природной среды нужно было начать решать еще вчера. И прогресс в этой сфере хоть и медленно, но уже начался. Помимо развития альтернативной электроэнергетики, на месте не стоит и поиск способов использования ресурсов мирового океана, который, как мы выяснили в начале, содержит в себе огромное количество энергии. Среди ключевых возобновляемых источников океанской энергии можно выделить:
энергию, получаемую за счет разницы температур на разных глубинах океана (преобразование тепловой энергии океана – OTEC);
энергию, получаемую из разного содержания солей в пресной и соленой воде (осмотическая сила).
Рассмотрим несколько интересных технологий, позволяющих добывать энергию из океана.
1. Шведская инженерная компания Minesto разработала специальные планеры, похожие на беспилотные летательные аппараты. Они предназначены для добычи энергии благодаря подводным течениям. На сайте компании приведен простой, но одновременно хорошо иллюстрирующий работу устройства пример: «Представьте, что вы стоите на пляже и запускаете воздушного змея (=кайт) на ветру. Вы чувствуете мощную подъемную силу кайта за счет строп, прикрепленных к нему. Когда он находится в зените, то тяга практически отсутствует, и удается стоять на месте. Но если попробовать переместить кайт в какую-либо сторону, то становится заметно, что он начинает тянуть за собой, и чем сильнее ветер, тем больше тяга. Собственно, если прикрепить турбину к кайту и поместить его в океанское течение, то таким образом и получится предлагаемая концепция энергетической технологии под названием Deep Green».
Отличительной особенностью Deep Green от других разработок в сфере приливной энергии является крыло, размеры турбины и тот факт, что вся установка движется под водой. Крыло толкает турбину через воду по восьмиугольной траектории, охватывая большую площадь с относительной скоростью, которая в несколько раз превышает фактическую скорость подводного течения. Турбина передает энергию генератору, а генератор пропускает ее через силовой кабель. Шланг на морском дне передает электроэнергию на берег.
Важным преимуществом здесь является то, что приливы вызваны движением Земли, Солнца и Луны, которое можно рассчитать с максимальной точностью. Океанские течения в определенной степени постоянны.
«Размах крыла Deep Green составляет 12 метров, и каждое из них вырабатывает 1,2 мегаватта энергии», – сообщил генеральный директор Minesto Мартин Эдлунд. «Мы считаем, что достаточное количество наших устройств позволит обеспечить энергией половину домашних хозяйств на Фарерских островах, которые по-прежнему используют импортное дизельное топливо для покрытия примерно половины своих энергетических потребностей».
2. От добычи приливной энергии перейдем к волновой. Американская компания Northwest Energy Innovations (NWEI) разработала волновую электростанцию Azura, которая представляет собой маятник, нижняя часть которого прикреплена к океанскому дну. Он извлекает энергию как из вертикального, так и из горизонтального (импульсного) движения волн. Выработка происходит в результате относительного вращательного движения корпуса и поплавка. Поплавок, соединенный с ротором генератора, способен непрерывно вращаться на 360 градусов или колебаться вперед и назад, что позволяет устройству извлекать энергию в самых разных волновых условиях и повышает общую эффективность системы. Генератор приводится в движение гидравлической системой высокого давления. Совершаемые круговые движения поплавка преобразовываются в электрическую энергию, которая передается по подводному кабелю. Вес Azura составляет 45 тонн. В настоящее время устройство проходит испытания на Гавайях. Оно подключено к муниципальной сети, обеспечивающей электричеством весь штат. Устройство может генерировать 20 киловатт энергии.
3. В 2015 году в Шотландии компании Equinor (75%) и Masdar (25%) представили первую в мире коммерческую ветроэлектростанцию Hywind Scotland, использующую плавучие турбины мощностью по 6 МВт каждая. Станция размещается в 25 км от берега. Для установки ветряных генераторов на Hywind Scotland используются специальные анкера, удерживающие их на глубине до 800 м. В состав электростанции входят пять ветряков. Высота мачты каждого из них над поверхностью воды составляет 176 м, под водой – еще 78 м. Диаметр ротора – 154 м, масса всей конструкции – около 12 тонн. От каждого ветрогенератора отходит кабель, который подключается к электросети города.
Турбины установки также высокотехнологичные – на станции установлено специальное программное обеспечение, которое может менять угол поворота лопастей ветрогенератора в зависимости от силы ветра, уменьшать нежелательную качку и оптимизировать выходную мощность. В будущем планируется оснащение электростанции литий-ионным аккумулятором Batwind емкостью 1 МВт⋅ч. Такая батарея будет служить накопителем электричества и отдавать его при безветренной погоде.
На данный момент устройство испытывают рядом с городом Петерхед, Шотландия.
Заключение
Несомненно, сегодня может быть использована только малая часть потенциала такого рода энергетических ресурсов: освоение многих районов океана, по крайней мере, на данный момент, является очень трудным, затраты на подключение выражаются огромными числами; кроме того, многие из потенциальных мест в прибрежных районах «зарезервированы» для судоходства, рыбной промышленности и являются охраняемыми территориями. Но тем не менее, во многих странах правительство помогает и стимулирует развитие такого рода источников энергии. Например, в США Министерство энергетики организовывает соревнования для компаний и частных лиц по разработке подобных устройств.