"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Альтернативные источники электроэнергии используют энергию природных процессов вместо угля, нефти и газа. К ним относят энергию Солнца, ветра, воды, земных недр, приливов и биомассы. Обычно природная энергия сначала превращается в механическую, а затем генератор преобразует её в электрическую; солнечные элементы делают это непосредственно. Главные особенности таких источников — возобновляемость, зависимость от природных условий, стоимость оборудования и возможное влияние на окружающую среду.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Альтернативный источник электроэнергии — источник, заменяющий традиционное топливо и использующий энергию природных процессов. Например, вместо сжигания угля можно использовать движение воды или солнечное излучение. Это понятие помогает сравнивать разные способы получения электричества.
Возобновляемый источник энергии — источник, запасы которого восстанавливаются естественным путём и практически не исчерпываются при использовании. К ним относятся Солнце, ветер, вода, тепло Земли и биомасса. Термин нужен, чтобы отличать такие источники от запасов угля, нефти и газа.
Солнечная электростанция — установка, преобразующая энергию солнечного излучения в электрическую энергию. Главную роль в ней играют фотоэлектрические элементы, или солнечные батареи. Это определение показывает, что станция не создаёт энергию, а преобразует уже имеющуюся.
Ветроэлектростанция — установка, преобразующая энергию движущегося воздуха в электрическую энергию. Ветер вращает лопасти, а их движение передаётся генератору. Понятие позволяет связать природное явление с конкретной технической установкой.
Энергия Солнца нагревает поверхность Земли, вызывает движение воздуха и круговорот воды, поэтому она может переходить в разные формы. Вода или ветер приводят в движение турбину, соединённую с генератором, и механическая энергия вращения превращается в электрическую. Биомассу сжигают или перерабатывают, чтобы получить тепло, пар и затем движение турбины; тепло земных недр также может нагревать воду и образовывать пар.
На гидроэлектростанции поток или падение воды давит на лопатки турбины. Турбина вращается потому, что вода передаёт ей энергию своего движения или положения. Соединённый с турбиной генератор преобразует вращение в электрический ток, после чего энергия передаётся по проводам потребителям.
На ветроэлектростанции лопасти имеют специальную форму, поэтому движущийся воздух заставляет их вращаться. Вращение передаётся валу генератора, иногда через редуктор, изменяющий скорость движения. Генератор использует это вращение для получения электрической энергии, а мощность станции зависит от скорости ветра и размеров лопастей.
Фотоэлектрический элемент работает иначе, потому что ему не нужны турбина и вращающийся вал. Свет передаёт энергию электронам внутри специального материала, и направленное движение зарядов создаёт электрический ток. Эту энергию можно сразу отправить в сеть, использовать приборами или накопить в аккумуляторах.
Работа альтернативной станции зависит от места и времени, поскольку природные процессы меняются. Солнце светит не круглые сутки, ветер бывает слабым, а уровень воды в реке меняется по сезонам. Поэтому учитывают прогнозируемость выработки, стоимость оборудования и хранения энергии, а также воздействие строительства на ландшафты, животных и растения.
| Источник энергии | Основная установка | Как происходит преобразование энергии | Преимущества | Ограничения и экологические последствия |
|---|---|---|---|---|
| Энергия воды | Гидроэлектростанция | Поток или падение воды вращает турбину, а генератор вырабатывает ток. | Большая мощность, длительная работа, отсутствие сжигания топлива. | Затопление территорий, изменение речных экосистем, зависимость от уровня воды. |
| Энергия ветра | Ветроэлектростанция | Ветер вращает лопасти и вал генератора. | Нет расхода топлива, низкие выбросы при работе. | Нужны устойчивые ветры; шум, изменение ландшафта, риск для птиц. |
| Энергия солнечного излучения | Солнечная электростанция | Фотоэлектрические элементы превращают свет непосредственно в ток. | Модульность, отсутствие выбросов во время работы, возможность установки на крышах. | Зависимость от освещения, потребность в площади и накопителях; важна утилизация элементов. |
| Внутреннее тепло Земли | Геотермальная электростанция | Тепло подземных вод образует пар или нагревает рабочее вещество, вращающее турбину. | Стабильная выработка в подходящих районах, небольшая зависимость от погоды. | Подходит не для всех мест; возможны выбросы подземных газов и изменение водных ресурсов. |
| Энергия приливов и волн | Приливная или волновая электростанция | Движение воды перемещает турбины или специальные поплавки. | Приливы хорошо предсказуемы, топливо не расходуется. | Высокая стоимость, подходящие места встречаются редко; возможное влияние на морские экосистемы. |
| Энергия биомассы | Биоэлектростанция | Биомасса даёт тепло при сжигании или переработке, затем пар вращает турбину. | Использование органических отходов, возможность управлять временем выработки. | При сжигании появляются выбросы; нужны сырьё, перевозка и контроль вырубки растений. |
Таблица помогает сначала определить природный источник, а затем проследить цепочку преобразований до электричества. При сравнении нельзя смотреть только на преимущества: ограничения зависят от климата, рельефа и выбранной технологии. Чем полнее учитываются условия и последствия, тем правильнее оценка установки.
Задача 1. Определить, какие источники из списка: уголь, ветер, солнечный свет, природный газ, энергия рек — относятся к возобновляемым. Нужно проверить, может ли запас источника восстанавливаться естественно за сравнительно короткое время. Ископаемое топливо таким свойством не обладает.
Задача 2. Солнечная установка мощностью 250 Вт работает 6 ч. Найдём выработанную энергию в ватт-часах и киловатт-часах, используя E = Pt. Единицы уже согласованы, поэтому сначала получим результат в Вт·ч.
Задача 3. Одна солнечная установка мощностью 1,2 кВт работает 4 ч в сутки, другая мощностью 0,8 кВт — 7 ч. Сравним произведения мощности на время, потому что большая мощность сама по себе ещё не означает большую суточную выработку.
Считать любой альтернативный источник полностью безвредным. Ошибка возникает, когда учитывают только отсутствие топлива и выбросов при работе. Строительство плотин, производство батарей и прокладка дорог тоже меняют природу; проверьте себя вопросом: какие последствия будут у установки на всём жизненном цикле?
Путать мощность с количеством энергии. Мощность показывает скорость выработки, а энергия зависит ещё и от времени: E = Pt. Чтобы не ошибиться, проверьте единицы и обязательно умножьте мощность на продолжительность работы.
Считать выработку постоянной независимо от погоды и времени суток. Так думают, потому что мощность в характеристиках принимают за неизменную. Сверяйте расчёт с условиями работы: ночью солнечная станция не получает света, а слабый ветер уменьшает выработку.
Считать, что установка создаёт энергию. На самом деле она преобразует энергию Солнца, воды или воздуха, поэтому без природного источника работать не может. Проверка проста: назовите, какая энергия поступает на вход и во что она превращается на выходе.
До изучения темы нужны знания о механической, тепловой и электрической энергии, работе генератора, мощности и формуле E = Pt. Эти понятия объясняют, как движение или тепло превращаются в электричество и как рассчитывают выработку.
Дальше тема связана с электрическими цепями, передачей электроэнергии и энергосбережением. Она помогает понять, почему электричество нужно передавать на расстояние, накапливать и расходовать рационально.
С географией тема связана размещением природных ресурсов и выбором подходящих районов для станций. Биология помогает оценить влияние плотин, ветропарков и других объектов на экосистемы.
Почему альтернативные источники называют возобновляемыми?
Их энергия связана с процессами, которые постоянно происходят в природе: солнечным излучением, движением воздуха и воды, теплом Земли. Поэтому запасы таких источников восстанавливаются естественным путём и практически не исчерпываются при разумном использовании.
Можно ли полностью заменить традиционные электростанции солнечными и ветровыми?
Полностью сделать это пока трудно, потому что солнечный свет и ветер непостоянны. Нужны накопители энергии, резервные станции или объединённая энергосистема, а также подходящие природные условия.
Почему солнечные батареи не вырабатывают одинаковое количество энергии постоянно?
Их работа зависит от освещённости, времени суток, облачности, времени года и положения Солнца. Ночью электричество не вырабатывается, а при облачной погоде мощность обычно уменьшается.
Чем генератор на гидроэлектростанции отличается от генератора на ветроэлектростанции?
Принцип действия у них одинаков: вращение вала преобразуется в электрическую энергию. Отличается источник механического движения: на гидроэлектростанции вал вращает турбина с потоком воды, а на ветроэлектростанции — лопасти, приводимые ветром.
Какой альтернативный источник является самым экологичным?
Однозначного ответа нет: воздействие зависит от места строительства, технологии и масштаба установки. Солнечные и ветровые станции не сжигают топливо, но их производство, размещение и утилизация тоже могут влиять на природу.
5. Альтернативные источники электроэнергии
