Енергийните паразити са навсякъде около нас. Единственият начин да защитим праната е... Къде отива енергията?

Ние развиваме правилно отношение към биологичната материя като универсален акумулатор и източник на енергия.

Нека поговорим малко за енергията. Уверявам ви, че ще бъде интересно – особено ако искате да разберете откъде идват всички блага на нашата цивилизация.

И така, нека започнем:

РАДИАЦИЯТА НА СЛЪНЦЕТО е основният източник на енергия на Земята. Мощността му се характеризира със слънчевата константа - количеството енергия, преминаващо през единица площ площ, перпендикулярна на слънчевите лъчи. На разстояние от една астрономическа единица (т.е. в орбитата на Земята) тази константа е приблизително 1,37 kW/m². Преминавайки през земната атмосфера, слънчевата радиация губи приблизително 370 W/m² енергия и само 1000 W/m² достига земната повърхност. Това все още е огромно количество енергия!

Но да не говорим за екватора, да погледнем какво се случва в Москва.

● И така, средната слънчева енергия за Москва (инсолация) на година е 297 MJ на m2. Максимумът през юни е 615, минимумът през декември е 31 (20 пъти по-малко!)

● Средна квадратична скорост на вятъра – 2,5 m/s (метеорологични данни)

● Средноквадратична скорост на речните води – 1 m/s (данни за хидроресурси)

Сега, използвайки добре известни формули, ще преобразуваме тези стойности в електричество.

E=E0⋅η, където E0 е средната енергия на източника (слънце, вода, вятър), η е ефективността на инсталацията (съответно слънчев панел, среден вятърен генератор и водноелектрическа централа без язовир).

Тогава получаваме:

● СЛЪНЦЕ – 44,55 MJ/m. кв./година (ефективност на директно преобразуване 15%*)
● ВЯТЪР – 0,07 MJ/m2. /година (ефективност на преобразуване около 35%*)
● ВОДА – 2,65 MJ/m2. /година (ефективност на преобразуване около 40%*)
*Данните за ефективност са взети от различни източници въз основа на характеристиките на оборудването на пазара.

Стойностите изглеждат доста прилични, но все пак е трудно да се оцени. Нека опитаме нещо различно.

Средната консумация на електроенергия на възрастен за осигуряване на храна, работа, жилище, комфорт и всичко, което включва това, е приблизително 1940 kWh електроенергия на година (данни от световната статистика за потребление на енергия). Не е трудно да изчислим, че за да живеем добре, ще са ни необходими:

● 13.9 кв.м. СЛЪНЧЕВИ ПАНЕЛИ (ефективност - 15%, 2 kW - 160 000 рубли само на панел), но ако си спомним, че през зимата слънчевата светлина е много по-малка, то в Москва за това ще ни трябват 26,6 кв.м. слънчеви панели. И не трябва да забравяме за проблема с натрупването на енергия, който също е много остър.

● Ако говорим за ВОДА, тогава тази стойност ще бъде подобна на 2800 кв.м. речни напречни сечения (без язовири)

● И дори не искам да говоря за ВЯТЪР - 11,29 хектара площ на вятърни турбини!

Това изчисление е приблизително; разбира се, има малко по-ефективни решения и малко по-малко, но средно борбата между производителите на инсталации е за проценти на ефективност.

Не е трудно да си представим колко трудно е в Централна Русия да се премине към използване само на алтернативни източници на енергия. Гледайки тези цифри, започвате да се чудите дали изобщо е необходима алтернативна енергия?

Определено е необходимо! Но точно кое? За да направим това, трябва да разберем в детайли как се разпределя енергията по земната повърхност, как я използваме и как я натрупваме.

И така, нека сега да разгледаме слънчевата енергия от малко по-различна гледна точка.

На Земята пада колосално количество енергия. Разпределя се както следва:

1. Отражение от атмосферата и облаците
2. Нагряване на земната повърхност
2.1. Загряващо суши
2.2. Отопление на вода

3. Разсейване на енергия в горните слоеве на атмосферата.

Какво можем да използваме:

СЛЪНЧЕВА ЕНЕРГИЯ ОТ ПЪРВИ РЕД - директно преобразуване на светлината в електричество. Основният и очевиден недостатък са огромните площи на слънчевите панели. Но да преминем към числата:

● Един среден ядрен реактор произвежда около 1 GW електроенергия. Колко слънчеви панела са ви необходими, за да генерирате същото количество енергия? Нека преобразуваме мощността в енергия, за да стане ясно. 1GW е 86400GJ енергия на ден или 31536000GJ на година.

● Ще инсталираме панелите в слънчева Чита (най-слънчевият град в Русия), общата инсолация в Чита за годината е 4363 MJ. Оказва се, че трябва да монтирате (при ефективност 20%) 36 квадратни километра панели.

● За да се откаже Русия от ядрената енергетика, ще й трябват около 1152 км2. Слънчеви панели или около 11 трилиона рубли (само на панели). Съгласете се, това е твърде много. Има и още един момент - какво ще стане с тези 1152 км2 площ? Какъв е екологичният отпечатък на този брой панели? И не забравяйте, че след 15 години те ще загубят 30% от мощността си.

СЛЪНЧЕВА ЕНЕРГИЯ ОТ ВТОРИ РЕД - използва се навсякъде - това е водноелектрическа централа. Тези. слънцето изпарява вода - после реки - после водноелектрически централи. Тук всичко е ясно: за да се концентрира енергията до ефективен максимум, се изграждат високи язовири, които нарушават водния баланс, наводняват територии и нарушават екосистемите.

СЛЪНЧЕВА ЕНЕРГИЯ ОТ ТРЕТИ РЕД - слънцето нагрява повърхността на планетата - повърхността предава топлина на въздуха - въздуха на вятърни електроцентрали (ВЕЦ). Не е трудно да се досетим, че такъв брой посредници разпространява още повече слънчевата енергия. И не на много места по Земята той е достатъчно концентриран, за да бъде уловен. Но последствията от използването на вятърни турбини са все същите - нарушаване на екосистемите, инфразвук и т.н.

Тези. Оказва се, че енергията в природата е много разпръсната. Изглежда, че има много (като алуминий, например), но не е лесно да се получи. И щом човек се опита да концентрира енергия, той нарушава естественото състояние на природата, което води до екокатастрофи.

По този начин дори използването на алтернативни енергийни източници ще доведе до нарушаване на местните екосистеми и, като следствие, нарушаване на глобалните екосистеми. Дори алтернативната енергия е неестествена за природата, тъй като прави същото като другите видове енергия, създава локална концентрация и следователно увеличава стреса върху екосистемата. И така, какво да правя? Връщане в каменната ера?

Нека се опитаме да разберем за какво се нуждаем от енергия.

Нуждите на всеки са различни. Някои се задоволяват с малко, други жадуват за лукс. Но човекът като биологичен вид по принцип е подчинен на всички закони на екологията. Единствената разлика е, че нашата степен на оцеляване има огромен диапазон. Това разпространение се дължи на факта, че знаем как да извличаме и използваме енергия. Как енергията оформя живота ни?

Да приемем, че нашите енергийни нужди са лесно измерени. И като ръководство, нека вземем руската потребителска кошница и преобразуваме всичко, което е включено в нея (топлоенергия, електричество, храна, транспорт) в енергия. Нека обозначим това като N. Така че, ако внезапно започнем да ядем изключително растителни храни, които сме отгледали сами, без да пътуваме никъде, без да използваме съвременни технологии и като цяло живеем живота на руско село през 16 век, ще похарчим около 0,05 N . И ако решим да ядем омар, да летим със самолет, да живеем в луксозна къща, това ще ни струва 10-100N.

Всичко ново, което ни заобикаля, всички забавления и 8-часов работен ден - всичко това стана възможно само благодарение на изобилието от енергия. В природата има универсален закон: „ако се подаде енергия към затворена система, структурата на системата става по-сложна и степента на хаос (ентропия) намалява“. Цялата човешка цивилизация е доказателство за това.

Вярно, ние донякъде изкривихме закона, като създадохме еквивалента на енергията - парите. И каквото и да говори някой за това, че банкнотите не са потвърдени, всъщност те се потвърждават от енергията. Тоест крайъгълният камък на стандарта на живот (сигурността) на човечеството е производството и разпределението на енергия. Регулирането на енергийните потоци се извършва за сметка на пазара - еквивалент на енергийната система на цивилизацията.

Ето защо индивидуалните енергийни източници са изключително неизгодни от политическа гледна точка. Но има нужда от тях. И така, как да получите енергия за себе си?

И така, въз основа на законите на екологията и разпределението на енергията в екосистемите, могат да се направят следните изводи:

1. Разнообразието от видове и развитието на една екосистема пряко зависи от енергийното снабдяване, но според закона за минимума, то може да не е ограничаващ фактор за развитието на екосистемите. Тези. екосистемата е в състояние да поеме толкова енергия, колкото й позволяват други условия. Добър пример е полето - за полето ограничението е наличието на микроелементи в почвата, така че торовете или правилният видов състав значително увеличават биомасата.

2. Човек може да извлече част от енергията от екосистемата, без да й навреди.

3. Най-пагубното за една екосистема е намаляването на видовия състав, тъй като това води до загуба на стабилност.

Така че задачата на човек е една - да не навреди. Тези. Можете да използвате само това, което не нарушава енергийния, информационния и материалния баланс на екосистемите. Това са много общи заключения. Сега да се върнем към енергията.

Руснаците консумират около 5000 кг петролен еквивалент енергия. Ако го преобразуваме в биомаса (средна стойност 10 MJ срещу 41 MJ за нефта), получаваме 20 500 кг. Много ли е или малко? Според статистиката в средната зона те събират (ако го отглеждат специално, например храсти) около 5000-7000 kg / ha биомаса. Така на човек ще са необходими 3-4 хектара площ. Или (като се има предвид, че сме 143 милиона) ще ни трябват 572 милиона хектара, или 5 720 000 км.кв. Или 33% процента от територията. Абсолютно ясно е, че това не е решение. Въпреки това, ако се замислите малко, не всичко е толкова тъжно:

1. Загубите на енергия са 11,5%
2. 19% от енергията идва от водноелектрически централи
3. 15% от енергията идва от атомни електроцентрали
4. 20% от енергията се изразходва неефективно (за отопление на сгради с лоша топлозащита, осветление и др.)

Тези. това вече са 15% от площта. Но все пак нека не изпадаме в крайности и да оставим само това, което човек харчи (транспорт, храна, жилище) - а това е само 20-25% от общите разходи за енергия. Тези. 10% от територията ни е достатъчна, за да съхраняваме енергията на слънцето в зелена маса. В същото време е абсолютно ясно, че е глупаво да се прави ТЕЦ, която работи на дърва. Ами ако направите миниинсталация, която работи на дърва и осигурява топлина и светлина?

За какво е всичко това? За да живеем в хармония с планетата, имаме нужда от:

1. Използвайте само енергията, която се съхранява всяка година в биомаса, а не изразходвайте енергията, която е била съхранявана в продължение на милиони години (нефт, газ, въглища).

2. Използвайте само тази биомаса, която може да се реализира като част от повишаване на продуктивността на екосистемите (капково напояване в пустинята, използване на пепелни торове - поддържане на баланса на микроелементите и др.).

3. Насърчаване на развитието на екосистемите за увеличаване на тяхната продуктивност.

4. Използвайте алтернативни източници на енергия там, където е най-ефективно, но не вреди на екосистемите.

5. Изчакайте, докато проблемът с термоядрения синтез бъде разрешен.

И ако е много практично: средната продуктивност на пшеницата по отношение на надземна биомаса: 13000 кг, т.е. два хектара са ни достатъчни, за да си осигурим както топлина, така и електричество, просто трябва да поработим малко, за да съберем тази доброта, и след това не забравяйте да върнете пепелта в природата.
Разбира се, това не е решение на проблемите на цялата енергийна индустрия като цяло, но правилното отношение към биологичната материя, като универсална батерия и източник на енергия, позволява на човек не само да изразходва това, което е съхранявано от години , но и да култивираме и укрепваме даденото сега. публикувани

1. Смятате ли, че съотношението на електроенергията, произведена в станции от различни видове, ще се промени в бъдеще?

Производството на електроенергия в различни видове станции в Русия е подобно на средното за света. В света като цяло 64% ​​имат ТЕЦ, 18% имат водноелектрически централи, а 18% имат атомни електроцентрали. В Русия през последните двадесет години се наблюдава тенденция към намаляване на дела на топлоелектрическите централи (от 76 на 67%) и увеличаване на ролята на водноелектрическите централи и атомните електроцентрали. В бъдеще ще се отдава все по-голямо значение на алтернативните източници (екологични и неизчерпаеми) – слънце, вятър, приливи и отливи и използването на вътрешната топлина на Земята.

2. Обяснете значението на новите термини: „електроенергетика“, „Единна енергийна система“.

Електроенергетиката е водеща част от горивно-енергийния комплекс, осигуряващ електрификацията на икономиката на страната.

В икономически развитите страни техническите средства на електроенергетиката се комбинират в автоматизирани и централно управлявани електроенергийни системи.

Единната енергийна система (UES) е съвкупност от няколко електроенергийни системи, обединени от електропроводи с високо напрежение и осигуряващи енергоснабдяване на обширни територии в рамките на една, а понякога и на няколко държави.

UES на Руската федерация, Украйна, Молдова, Грузия, Армения, Латвия, Литва, Естония и Казахстан включва 9 интегрирани енергийни системи: Северозапад, Център, Средна Волга, Юг, Северен Кавказ, Закавказие, Урал, Казахстан и Сибир. От 1992 г. тази система обединява над 900 електроцентрали с обща мощност около 280 GW; работи съвместно с електроенергийните системи на страните от Източна Европа: България, Унгария, Полша, Румъния.

3. Анализирайте положителните и отрицателните характеристики на различните видове електроцентрали. Какви социални последици предизвиква отрицателното въздействие на електроцентралите върху околната среда?

Основните отрицателни свойства на топлоелектрическите централи са използването на невъзобновяеми енергийни източници (горива) и неблагоприятните ефекти върху околната среда (емитиране на огромни количества пепел и вредни газове в атмосферата, усвояване на кислород). Всяка година топлоелектрическите централи отделят 3,4 милиона тона замърсители в атмосферата, повече от 20% от всички промишлени емисии. Само предприятията от горивната индустрия замърсяват повече атмосферата (5,2 милиона тона). Големите градове, захранвани с електричество от топлоелектрически централи, са сред най-замърсените селища в Русия. В тях се увеличава броят на заболяванията сред населението (особено на дихателната система), расте социалното напрежение.

Положителното при използването на водноелектрически централи е, че изграждането им е по-евтино от изграждането на други електроцентрали.

При изграждането на водноелектрически централи речните долини (най-ценните земи) се наводняват. Водноелектрическите централи отнемат повече време за изграждане и са по-скъпи от всички останали видове електроцентрали.

Положителен фактор при получаването на енергия с помощта на водноелектрически централи е, че те използват напълно безплатна енергия от падаща вода, а оперативният персонал е малък. Всичко това значително намалява разходите за електроенергия.

Използвайки данните от таблицата, отбележете сами всички „плюсове“ и „минуси“ на атомната електроцентрала.

4. Какво е географското местоположение на вашето местоживеене (село, град) по отношение на районите за добив на горивни ресурси и най-близките електроцентрали? Как горивото и електричеството стигат до вас? Вашето населено място свързано ли е с газ? Колко струва вашето семейство да консумира гориво и електроенергия годишно?

За да прецените дали географското местоположение на вашето местоживеене е благоприятно по отношение на горивните и енергийните предприятия, използвайте подходящите атласни карти. Отговорът на останалата част от въпроса зависи от конкретните условия във вашия район.

5. Как могат да се постигнат значителни енергийни спестявания в страната? Какви стъпки според Вас трябва да предприеме държавата и кои всеки от нас? Материал от сайта

В целия свят сега се работи много за спестяване на електроенергия, както на държавно ниво, така и от отделни граждани и обществени организации. Приети са стандарти за производство на енергоспестяващи продукти, съвременните домакински уреди консумират няколко пъти по-малко енергия, отколкото преди няколко години. За по-рационално използване на светлата част от деня се извършва преход към лятно часово време. Всеки от нас може да допринесе значително за пестенето на енергия, като просто изключи осветлението в онези помещения, където в момента не е необходимо.

6. Говорейки за основните източници на енергия, не трябва да забравяме и алтернативните - енергията на вятъра, приливите и отливите, Слънцето, вътрешната топлина на Земята и др. Въз основа на вашите познания за природата на страната, кажете ми в кои райони на Русия е възможно да ги използвате.

Въпреки че делът на нетрадиционните или алтернативни производители на енергия в Русия е по-малко от 1%, тези електроцентрали имат голямо бъдеще. В Камчатка вече работят геотермалните електроцентрали Паужецкая и Мутновская, а на Колския полуостров - приливната електроцентрала (Кислогубская).

Не намерихте това, което търсихте? Използвайте търсачката

На тази страница има материали по следните теми:

• преглед на електроенергетиката
• есе електричество
• резюме на електроенергийната индустрия
• отрицателни свойства на топлоелектрическите централи
• резюме по темата за електричеството

1. Обяснете значението на новите термини: „електроенергетика“, „Единна енергийна система“.

Електрическата енергия е друг компонент на горивно-енергийния комплекс, чиято задача е да генерира електроенергия в електроцентрали и да я предава на потребителите чрез електропреносни линии (PTL).

Единна енергийна система - електроцентрали, свързани помежду си с електропроводи.

2. Използвайки фигура 30, анализирайте положителните и отрицателните характеристики на различните видове електроцентрали. Какви социални последици предизвиква отрицателното въздействие на електроцентралите върху околната среда?

Топлоелектрическите централи се изграждат бързо, навсякъде, но изискват голямо количество гориво и отделят много вредни вещества в атмосферата.

Водноелектрическите централи са дълги и скъпи за изграждане, но те консумират безплатна енергия от падаща вода, цената на енергията е ниска, има малко персонал по поддръжката, но голямо количество плодородна земя е наводнена.

Атомните електроцентрали са дълги и скъпи за изграждане, цената на електроенергията е по-малка от тази на топлоелектрическите централи, те имат слабо въздействие върху околната среда, но изискват висококвалифициран персонал, надеждност на оборудването и има проблем с изхвърлянето на отпадъците. Отрицателното въздействие на електроцентралите върху околната среда се проявява чрез влошаване на условията на околната среда: замърсяване на атмосферния въздух, вода, промени в микроклимата. Отчуждават се значителни територии за централи, което е загуба за икономиката.

3. Говорейки за основните източници на енергия, не трябва да забравяме и алтернативните - енергията на вятъра, приливите и отливите, слънцето, вътрешната топлина на Земята и т.н. Въз основа на вашите познания за природата на страната ни кажете в кои региони на Русия тяхното използване е възможно.

Най-голям потенциал за слънчева енергия има в Краснодарския, Ставрополския край, Магаданска област и Якутия. Според статистиката днес около 10 милиона души живеят в Русия без централизирано електрозахранване, което ни кара да мислим за необходимостта от развитие на индустрията. Вече има известно развитие в тази посока: в Русия се появиха предприятия, които притежават технологията за производство на слънчеви електроцентрали и тяхното инсталиране с цел производство на електроенергия. Един от положителните примери за използване на слънчева енергия е слънчева електроцентрала, разположена в района на Белгород (район Яковлевски, село Крапивенские двори) с номинална мощност от 0,1 MW.

Геотермалната енергия в Русия започва своето развитие през 1966 г.: тогава е построена първата такава електроцентрала. Днес, използвайки източници на Камчатка, е възможно да се генерират около 300 MW електроенергия, но реално се използват само 25%. Геотермалните води на островите от Курилския хребет имат потенциал от 200 MW: това е достатъчно, за да снабди напълно целия регион с електричество. Но не само Далечният изток е привлекателен за развитието на геотермална енергия: Ставрополският край, Кавказ и Краснодарският край имат голям потенциал. Температурата на подземните води тук достига 125 °C. Наскоро беше открито геотермално находище в Калининградска област, което също може да се използва.

Експертите смятат, че има смисъл да се строят приливни електроцентрали там, където разликата в морското ниво по време на прилив и отлив е най-малко 4 метра. Също така е важно да се вземат предвид площта и обемът на приливния басейн. Производителността на приливна електроцентрала зависи и от броя на хидравличните турбини в язовира. Практическото използване на приливната енергия в Русия може да се види на примера на Кислогубската ТЕЦ: това е абсолютно екологична система. Това ви позволява да спестите запаси от въглеводороди независимо от водното съдържание на годината. Развитието на тази област може да осигури до 5% от общия обем електроенергия, произведена в Русия.

Развитието на вятърната енергия в Русия изостава значително от нивото на развитите страни, които осигуряват до една трета от нуждите си от електроенергия по този начин. Нивото на капиталовите инвестиции за изграждането на вятърни турбини е сравнително ниско: това трябва да привлече инвеститори и да заинтересува малкия бизнес. Днес в Русия работят вятърни генератори, построени отдавна. Най-големият е вятърният парк Куликово, разположен близо до Калининград. Мощността му е 5 MW. В близко бъдеще се планира капацитетът му да се увеличи четирикратно. В допълнение, вятърната енергия се използва от вятърния парк Tyupkildy (Башкортостан), вятърния парк Marposadskaya (в Чувашия) и вятърния парк Kalmyk. Те работят автономно: вятърни електроцентрали Anadyrskaya, Zapolyarnaya, Nikolskaya и Markinskaya. Сега се инсталират малки вятърни турбини за захранване на вилни селища и малки промишлени предприятия.

4. Как могат да се постигнат значителни енергийни спестявания в страната? Какви стъпки според Вас трябва да предприеме държавата и кои всеки от нас?

изпълнение на вериги за автоматично включване и изключване на електрически съоръжения, осветление на входове и стълбища, входове, асансьорни халета и шахти, кофи за смет, технически подземия, тавани и други помещения, както и регистрационни табели, локални зони, изкопни площадки и други опасни или забранено преминаване или места за преминаване (например с помощта на полупроводников регулируем двупрограмен превключвател PRO-68, производство на EZKO AKH);

подмяна на лампи с нажежаема жичка с луминесцентни в обслужващи и технически помещения и стълбища;

контрол върху използването на лампи с инсталирана мощност в лампи за осветяване на коридори, стълбища и входове;

спазване на работните графици на електрическото оборудване (помпи и др.);

прехвърляне на електрически мрежи на жилищни сгради на 380/220 V;

инсталиране на електродвигатели в помпени агрегати с необходимата мощност и скорост в съответствие с разумни изчисления;

елиминиране на непродуктивни загуби на вода, водещи до допълнителна работа на помпите и съответния допълнителен разход на електроенергия (включително поради неизправности в спирателните кранове);

почистване на прозорци, плафониери и стълбищни лампи от прах и мръсотия.

Намаляването на потреблението на електроенергия на закрито трябва да се направи и чрез разясняване на населението за необходимостта да бъдат внимателни с електричеството.

Кандидат на физико-математическите науки V. KHORT.

В стремежа си да заемем ключови позиции в енергетиката, не трябва да забравяме алтернативните енергийни източници. Един от тях е генерирането на електричество от слънчева светлина.

Схема на експеримента на А. Е. Бекерел. Две еднакви метални пластини са потопени в електролит и разделени от светлоустойчива преграда. Когато светлината падне върху една от плочите, във веригата се генерира електродвижеща сила.

Първата слънчева клетка, базирана на селен, създадена от C. Frits през 1883 г.

Схема на цезиева фотоклетка. Два електрода се поставят в стъклена колба. Един от тях, анодът във формата на метален пръстен, се намира в центъра на колбата.

Схематична структура на полупроводникова силициева фотоклетка. Слой от p-силиций (p-Si) се отлага върху основата на пластина от n-силиций (n-Si) чрез дифузия.

Модерните фотоклетки могат да поддържат вашия лаптоп работещ през целия ден.

Един модерен телевизор консумира не повече енергия от обикновена крушка с нажежаема жичка.

Наука и живот // Илюстрации

Кризата идва, когато вече не е възможно да се каже: „Да забравим всичко“.
Рецепта на Фъргюсън (закони на Мърфи)

Фактът, че светлината може да се превърне в източник на електричество, е видян за първи път от френския натуралист Александър Едмон Бекерел. През 1839 г., докато работи в лабораторията на баща си, известният физик Антоан Бекерел, деветнадесетгодишният Едмонд открива фотоволтаичния ефект: когато платинени плочи, потопени в електролитен разтвор, се осветяват, галванометърът записва появата на електродвижеща сила. Едмонд Бекерел дори намери приложение за този ефект, разработвайки на негова основа актинограф - устройство за записване на интензитета на светлината.

Следващият крайъгълен камък по пътя към слънчевите клетки беше откриването на фотопроводимостта на селена. Той е направен от Уилоуби Смит, инженер в британската телеграфна компания, която се занимаваше с полагане на кабели под вода. През 1873 г., докато разработва устройство за тестване на проводници по време на полагане, той започва да търси материал, който да има високо електрическо съпротивление, но в същото време да не бъде изолатор. Докато измерва съпротивлението на селенови пръчки, Смит забеляза, че резултатите варират значително от време на време. Оказа се, че електрическата проводимост на селеновите пръчки се увеличава рязко, когато върху тях попадне светлина. През 1883 г. американецът Чарлз Фритс прави първата слънчева клетка от тънък слой селен, поставен между златни и медни плочи.

Германският физик Хайнрих Херц открива ефекта на ултравиолетовото лъчение върху електрическия разряд през 1887 г. Както при селена, откритието беше неочаквано. Наблюдавайки два разряда едновременно, Херц забеляза, че ярка светлинна светкавица от електрическа искра на първия разряд увеличава продължителността на другия разряд.

През 1888 г. нашият сънародник Александър Григориевич Столетов изследва как се разрежда отрицателно зареден цинков електрод под въздействието на светлина и как този процес зависи от интензитета на светлината. Той създава и първата вакуумна фотоклетка, която обаче не зарежда, а разрежда батерията.

Благодарение на работата на Джоузеф Томсън през 1899 г. и Филип Ленард през 1900 г. е доказано, че светлината, попадаща върху метална повърхност, избива електрони от нея, причинявайки появата на фототок. Въпреки това беше възможно да се разбере напълно природата на това явление през 1905 г., когато Алберт Айнщайн го обясни от позицията на квантовата теория. Имайте предвид, че „бащата“ на теорията на относителността получава Нобелова награда през 1921 г. за работа, посветена специално на фотоелектричния ефект. Решението на Нобеловия комитет гласи, че наградата се присъжда на Айнщайн за приноса му към теоретичната физика, особено за откриването на закона за фотоелектричния ефект. По същество това обяснение се основава на закона за запазване на енергията: всеки фотон, взаимодействайки с електрона, му предава своята енергия ε = hν, където ν е честотата на падащата светлина, а h = 6,626068(33) 10 -34 (J сек ) - константа на Планк. Тази енергия се изразходва частично за работа А, която трябва да бъде изразходвана, за да може електронът да напусне повърхността на метала (работна работа), и частично за кинетичната енергия на електрона. Тази зависимост описва уравнението на Айнщайн:

Появата на полупроводниците доведе до раждането на силициевата слънчева клетка. Слой от p-Si силиций с дупкова проводимост (носители на ток са атоми, които са загубили електрон, „дупки“) се поставя върху n-Si силициева пластина с електронна проводимост (основните носители на ток са свободни електрони).

В зоната на p–n преход, когато фотоклетка е осветена, възниква потенциална разлика от около 0,5 V, която се използва при създаването на слънчеви клетки. Чрез обединяване на фотоклетки в модули се получават слънчеви панели с различни напрежения, понякога достигащи до няколкостотин волта.

Една от най-важните характеристики на фотоклетката е нейната ефективност. Изчислява се като процент на съотношението на светлинната енергия, получена от фотоклетката, към енергията, получена от потребителя. Ако не беше земната атмосфера, тогава един квадратен метър повърхност, разположена на морското равнище перпендикулярно на слънчевите лъчи, би давала 1300-1400 Wh/m2 енергия. Поради загубите в атмосферата на екватора тази стойност намалява до 1000 Wh/m2. Ефективността на първата фотоклетка беше само 1%, а дори и на екватора не повече от 10 Wh можеха да бъдат премахнати от един квадратен метър. Ефективността на фотоклетките, разработени за изстрелването на първите спътници, вече беше 5-6%. Съвременните серийни фотоклетки имат ефективност от 14%. Но това не е границата: японската компания Mitsubishi Electric съобщи през 2007 г., че е успяла да постигне 18,6% за слънчеви клетки, базирани на поликристален силиций. А използването на многослойни елементи позволи на американските изследователи от центъра Boeng-Spectrolab да получат прототипи с ефективност над 40%. За сравнение, нека си припомним, че ефективността на автомобилния двигател е средно 23%, само в някои случаи достига 35%.

Нобеловият лауреат Жорес Иванович Алферов смята, че ефективността на слънчевите клетки може да достигне 90%. Русия трябва да побърза с изследванията в областта на слънчевата енергия, ако искаме да заемем водеща позиция в тази област.

С покачването на цените на традиционното гориво слънчевите панели започват да се използват като част от автономни фотоволтаични системи, които могат ефективно да се използват за пестене на електроенергия у дома. Такава система включва соларни модули, контролер за зареждане и разреждане, батерия и инвертор. За правилната работа на батериите е необходимо внимателно да се следи нивото им на заряд. Необходимо е да изключите соларните модули от заредените батерии и обратно, свържете ги, ако батерията е разредена с 30% (при по-голямо разреждане броят на циклите на зареждане-разреждане е значително намален).

Необходим е инвертор за преобразуване на постоянно напрежение, обикновено 12 V, в променливо напрежение 220 V. Някои модели преобразуватели осигуряват изходен променлив ток с нормална синусоида, която напълно съответства на мрежовото захранване, което е важно за някои сложни електрически уреди, като като телевизор. Не е необходимо инверторът да се използва във фотоволтаични системи, които захранват устройства, проектирани да работят при постоянно напрежение. Ако не можете без преобразувател, трябва да запомните, че ефективността на цялата система ще падне с 10% - ефективността на съвременните инвертори е 90%.

Могат ли съвременните слънчеви панели да осигурят реалните нужди на човек от електричество, тоест всъщност да заменят обичайния контакт, захранван от електропровод?

Не е трудно да се изчислят необходимите за това параметри на компонентите на фотоволтаичната система. Да приемем, че един потребител се нуждае от общо 1000 W на ден. Това е количеството енергия, консумирано от 100-ватова крушка, която гори непрекъснато в продължение на 10 часа. Въпреки това, за енергоспестяваща лампа (вижте "Наука и живот" №), консумираща 4-5 пъти по-малко енергия, един киловат ще бъде достатъчен за 40-50 часа непрекъсната работа. За сравнение: средното потребление на електроенергия на човек в Москва е 3000-4000 W на ден.

Първо, нека изчислим капацитета на батерията, като вземем предвид, че тя не трябва да бъде разредена с по-малко от 30%. За батерия от дванадесет волта, от простото уравнение: 1000 Wh = (12 V × X Ah) × 70%, където X е капацитетът на батерията, получаваме приблизителен капацитет на батерията от приблизително 120 Ah. Трябва обаче да запомните, че загубите на енергия в самата батерия ще бъдат около 15%, което означава, че общият капацитет трябва да бъде 138 Ah. (Този капацитет се осигурява с резерв от три автомобилни оловно-киселинни батерии с капацитет 55 Ah.)

За да се изчисли общата мощност и брой слънчеви клетки, е необходимо да се вземе предвид инсолацията - количеството пряка слънчева светлина, падаща върху повърхността. Например за Москва, разположена на надморска височина 187 метра и ширина 56 °, този показател е максимален през юни: E юни = 168 kW/m2 (по-нататък показателите са дадени за обект, разположен на ъгъл от 40° спрямо хоризонта и обърнат на юг). Тъй като инсолацията на морското равнище на екватора е 1000 Wh/m 2, за целия юни един квадратен метър от наклонена платформа в Москва получава същото количество слънчева енергия като подобна повърхност на екватора за 167 часа. Всъщност степента на слънчева светлина, разделена на 1 kWh, показва времето, през което слънчевите клетки генерират същото количество електричество, както на екватора. В действителност на географската ширина на Москва през юни има само 700-750 W слънчева енергия на квадратен метър. С други думи, един квадратен метър повърхност в Москва получава за час и половина юни същото количество енергия, както на екватора за час. Ето защо през целия ден през юни Москва получава толкова светлина, колкото получава на екватора за 5,6 часа. Така дневната инсолация в Москва през юни е E ден през юни = 5,6 kWh / m2, а през декември е още по-малка - само Edekabr = 2,2 kWh / m2. От май до август средното дневно ниво на слънчева светлина в района на Москва е E ден през лятото = 5,25 kWh / m2.

Остава да изчислим колко соларни акумулаторни модула са необходими за зареждане на батериите. Мощността на един слънчев батериен модул днес варира от 10 до 300 Wh. Да приемем, че се използват модули с мощност Pw = 50 Wh. Цената на такъв модул е ​​приблизително $200, или 4800 рубли ($4 за 1 Wh произведена енергия). Такъв модул ще генерира енергия на ден:

По този начин, за да се осигури на потребителя необходимата енергия през декември, ще са необходими поне 29 модула, но през лятото са достатъчни четири модула слънчеви панели.

Сега можете да оцените цената на цялата фотоволтаична система. При използване за цяла година ще ви трябват 6 броя оловно-киселинни батерии с капацитет 55 Ah (таблицата показва цените за август 2008 г.).

Разбира се, все още няма смисъл да се използват слънчеви клетки в Москва през цялата година. Такава система ще струва около 150 хиляди рубли, но през по-голямата част от годината тя работи твърде неефективно, а през лятото нейната ефективност ще бъде само 14%. Уви, Москва не е много богата на запаси от слънчева енергия. Да речем, на географската ширина на Сочи, 8 модула биха били достатъчни за нашата хипотетична система за една година, а цената й ще бъде около 50 хиляди рубли. През лятото фотоклетките могат да се използват ефективно и в Арктика. Слънцето, което не пада под хоризонта, изпраща повече енергия към слънчевите панели на ден, отколкото на екватора през цялата дневна светлина.

За съжаление широкото разпространение на фотоволтаичните системи все още е ограничено от високата цена. Те обаче вече могат да се използват на места, където е трудно и скъпо да се прокарват проводници. Също така си струва да се има предвид, че разходите за фотоволтаична система са сравними с цените на бензиновите мини-електрически генератори, които също изискват скъпо гориво.

1. Смятате ли, че съотношението на произведената електроенергия в различните типове станции ще се промени в бъдеще?

Производството на електроенергия в различни видове станции в Русия е подобно на средното за света. Като цяло в света 64% се осигуряват от ТЕЦ, 18% от водноелектрически централи и 18% от атомни електроцентрали. В Русия през последните двадесет години се наблюдава тенденция към намаляване на дела на топлоелектрическите централи (от 76 на 67%) и увеличаване на ролята на водноелектрическите централи и атомните електроцентрали. В бъдеще ще се отдава все по-голямо значение на алтернативните източници (екологични и неизчерпаеми) – слънце, вятър, приливи и отливи и използването на вътрешната топлина на Земята.

2. Обяснете значението на новите термини: „електроенергетика“, „Единна енергийна система“.

Електроенергетиката е водеща част от горивно-енергийния комплекс, осигуряващ електрификацията на икономиката на страната.

В икономически развитите страни техническите средства на електроенергетиката се комбинират в автоматизирани и централно управлявани електроенергийни системи.

Единната енергийна система (UES) е съвкупност от няколко електрически енергийни системи, обединени от електропроводи с високо напрежение и осигуряващи енергоснабдяване на обширни територии в рамките на една, а понякога и на няколко държави.

UES на Руската федерация, Украйна, Молдова, Грузия, Армения, Латвия, Литва, Естония и Казахстан включва 9 интегрирани енергийни системи: Северозапад, Център, Средна Волга, Юг, Северен Кавказ, Закавказие, Урал, Казахстан и Сибир. От 1992 г. тази система обединява над 900 електроцентрали с обща мощност около 280 GW; работи съвместно с електроенергийните системи на страните от Източна Европа: България, Унгария, Полша, Румъния.

3. Използвайки фигура 31, анализирайте положителните и отрицателните характеристики на различните видове електроцентрали. Какви социални последици предизвиква отрицателното въздействие на електроцентралите върху околната среда?

Основните отрицателни свойства на топлоелектрическите централи са използването на невъзобновяеми енергийни източници (горива) и неблагоприятните ефекти върху околната среда (емитиране на огромни количества пепел и вредни газове в атмосферата, усвояване на кислород). Всяка година топлоелектрическите централи отделят 3,4 милиона тона замърсители в атмосферата, повече от 20% от всички промишлени емисии. Само предприятията от горивната индустрия замърсяват повече атмосферата (5,2 милиона тона). Големите градове, захранвани с електричество от топлоелектрически централи, са сред най-замърсените селища в Русия. В тях се увеличава броят на заболяванията сред населението (особено на дихателната система), расте социалното напрежение.

Положителното при използването на водноелектрически централи е, че изграждането им е по-евтино от изграждането на други електроцентрали.

При изграждането на водноелектрически централи речните долини (най-ценните земи) се наводняват. Водноелектрическите централи отнемат повече време за изграждане и са по-скъпи от всички останали видове електроцентрали.

Положителен фактор при получаването на енергия с помощта на водноелектрически централи е, че те използват напълно безплатна енергия от падаща вода и има малко обслужващ персонал. Всичко това значително намалява разходите за електроенергия.

Използвайки данните от таблицата, отбележете сами всички „плюсове“ и „минуси“ на атомната електроцентрала.

4. Какво е географското местоположение на вашето местоживеене (село, град) по отношение на районите за добив на горивни ресурси и най-близките електроцентрали? Как горивото и електричеството стигат до вас? Вашето населено място свързано ли е с газ? Колко струва потреблението на гориво и електроенергия на вашето семейство годишно?

За да прецените дали географското местоположение на вашето местоживеене е благоприятно по отношение на горивните и енергийните предприятия, използвайте подходящите атласни карти. Отговорът на останалата част от въпроса зависи от конкретните условия във вашия район.

5. Как могат да се постигнат значителни енергийни спестявания в страната? Какви стъпки според Вас трябва да предприеме държавата и кои всеки от нас?

В целия свят сега се работи много за пестене на енергия, както на държавно ниво, така и от отделни граждани и обществени организации. Приети са стандарти за производство на енергоспестяващи продукти, съвременните домакински уреди консумират няколко пъти по-малко енергия, отколкото преди няколко години. За по-ефективно използване на дневните часове лятното часово време се превключва. Всеки от нас може да допринесе значително за пестенето на енергия, като просто изключи осветлението в онези помещения, където в момента не е необходимо.

6. Говорейки за основните източници на енергия, не трябва да забравяме и алтернативните - енергията на вятъра, приливите и отливите, Слънцето, вътрешната топлина на Земята и др. Въз основа на вашите познания за природата на страната, кажете ми в кои райони на Русия е възможно да ги използвате.