Энергетические паразиты вокруг нас. Единственным способом защиты праны является…. Куда уходит энергия

Развиваем правильное отношение к биологической материи, как к универсальному аккумулятору и источнику энергии.

Давайте немного порассуждаем об энергии. Уверяю, что это будет интересно - особенно, если вы хотите понимать, откуда берутся все блага нашей цивилизации.

Итак, начнем:

ИЗЛУЧЕНИЕ СОЛНЦА - основной источник энергии на Земле. Его мощность характеризуется солнечной постоянной - количеством энергии, проходящей через площадку единичной площади, перпендикулярную солнечным лучам. На расстоянии в одну астрономическую единицу (то есть на орбите Земли) эта постоянная равна приблизительно 1,37 кВт/м². Проходя сквозь атмосферу Земли, солнечное излучение теряет в энергии примерно 370 Вт/м², и до земной поверхности доходит только 1000 Вт/м². Это, по-прежнему, огромное количество энергии!

Но не будем рассуждать про экватор, давайте посмотрим, что происходит в Москве.

● Итак, средняя энергия солнца для Москвы (инсоляция) в год составляет 297 МДж на м кв. Максимальная в июне – 615, минимальная в декабре – 31 (в 20 раз меньше!)

● Средняя квадратичная скорость ветра – 2,5 м/с (метеоданные)

● Средняя квадратичная скорость вод рек – 1м/с (данные по гидроресурсам)

Теперь с помощью известных формул переведем эти значения в электроэнергию.

E=E0⋅η, где E0 - средняя энергия источника (солнце, вода, ветер), η - КПД установки (солнечной панели, усредненного ветрогенератора и бесплотинной ГЭС соответственно).

Тогда получаем:

● СОЛНЦЕ– 44,55 МДж/м. кв./год (КПД прямого преобразования 15%*)
● ВЕТЕР – 0,07 МДж/м кв. /год (КПД преобразования порядка 35%*)
● ВОДА – 2,65 МДж/м кв. /год (КПД преобразования порядка 40%*)
*Данные КПД брались из разных источников по характеристикам представленного на рынке оборудования.

Значения кажутся вполне достойными, но, все же, сложно оцениваемыми. Давайте попробуем по другому.

Среднее потребление электроэнергии на взрослого человека для обеспечения его пищей, работой, жильем, комфортом и всем, что в него входит, составляет примерно 1940 кВт*ч электроэнергии в год (данные из статистики по мировому энергопотреблению). Не трудно подсчитать, что, чтобы нам жилось хорошо, нам потребуется:

● 13,9 м. кв. СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ (КПД - 15%, 2кВт - 160000р только на панели), но если вспомнить, что зимой инсоляция значительно меньше, то в Москве нам для этого понадобится 26,6м.кв. солнечных панелей. И нельзя забывать про проблему аккумуляции энергии, которая тоже очень остра.

● Если говорить про ВОДУ, то это значение будет аналогично 2800 м.кв. сечения рек (без плотин)

● А про ВЕТЕР и рассуждать не хочется - 11,29 га площади ветряков!

Этот расчет является прикидочным, безусловно есть чуть более эффективные решения и чуть менее, но среднем борьба производителей установок идет за проценты КПД.

Не сложно представить, как трудно в центральной России перейти на использование только альтернативных источников энергии. Глядя на эти цифры начинаешь задумываться, а нужна ли вообще альтернативная энергетика?

Безусловно нужна! Но вот только только какая? Для этого нужно подробно разобраться, как распределяется энергия по земной поверхности, как мы ее используем и как ее аккумулируем.

Итак, давайте теперь посмотрим на энергию солнца немного с другой стороны.

На Землю падает колоссальное количество энергии. Распределяется она следующим образом:

1. Отражение от атмосферы и облаков
2. Нагрев земной поверхности
2.1. Нагрев суши
2.2. Нагрев вод

3. Рассеивание энергии в верхних слоях атмосферы.

Что же мы можем использовать:

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ПЕРВОГО ПОРЯДКА - прямое преобразование света в электроэнергию. Главный и очевидный минус - огромные площади солнечных панелей. Но давайте к цифрам:

● Средний атомный реактор вырабатывает порядка 1ГВт электроэнергии. Сколько нужно солнечных панелей, что бы выработать столько же энергии? Переведем мощность в энергию, чтобы было понятно. 1ГВт это 86400ГДж энергии в день или 31536000ГДж в год.

● Поставим панели в солнечной Чите (самом солнечном городе России), инсоляция в Чите суммарная за год -4363 МДж. Получается, что нужно установить (при КПД 20%) 36 квадратных километров панелей.

● Чтобы России отказаться от атомной энергетики понадобится порядка 1152 км кв. Солнечных панелей или порядка 11 триллионов рублей (только на панели). Согласитесь, многовато. Есть еще один момент - а что будет с этими 1152 км кв площади? Каков экологический след подобного количества панелей. И не забывайте, что через 15 лет они потеряют 30% своей мощности.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА - она используется повсеместно - это ГЭС. Т.е. солнце испаряет воду - далее реки - далее ГЭС. Здесь все понятно: чтобы сконцентрировать энергию до эффективного максимума строят высокие плотины, нарушающие водобаланс, затопляющие территории, нарушающие экосистемы.

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ТРЕТЬЕГО ПОРЯДКА - солнце нагревает поверхность планеты - поверхность передает тепло воздуху - воздух ветровым энергоустановкам (ВЭУ). Не сложно догадаться, что такое количество посредников размазывает энергию солнца еще больше. И не в многих местах Земли она сконцентрирована настолько, чтобы быть пойманной. А последствия использования ВЭУ всё те же - нарушение экосистем, инфразвук и пр.

Т.е. получается, что энергия в природе очень рассеяна. Вроде ее много (как например алюминия), но добыть ее не просто. А как только человек пытается сконцентрировать энергию - он нарушает естественное состояние природы, что приводит к эко-катастрофам.

Таким образом, даже применение альтернативных источников энергии приведет к нарушению локальных экосистем и, как следствие, к нарушению глобальных экосистем. Даже альтернативная энергетика противоестественна природе, так как она занимается тем же самым, что и другие виды энергетики, создает локальную концентрацию, а следовательно усиленную нагрузку на экосистему. Так что же делать? Возвращаться в каменный век?

Давайте попробуем разобраться, для чего нам энегрия.

Потребности у всех людей разные. Одни довольствуются малым, другие жаждут роскоши. Но человек, как биологический вид, в целом подчинен всем законам экологии. Разница лишь в том, что у нас планка выживаемости имеет огромный разброс. Этот разброс связан с тем, что мы умеем добывать и эксплуатировать энергию. Как энергия определяет нашу жизнь?

Давайте предположим, что уровень нашей энергетической потребности легко измеряем. И как ориентир возьмем российскую потребительскую корзину и переведем все, что в нее входит (тепло, электричество, питание, транспорт) в энергию. Обозначим это N. Так вот, если мы вдруг начнем питаться исключительно растительной пищей, которую вырастили сами, никуда не ездить, не использовать современные технологии и вообще жить жизнью русской деревни XVI века, мы потратим около 0,05N. А если решим питаться омарами, летать на самолете, жить в шикарном доме - это обойдется нам в 10-100N.

Все новое, что нас окружает, все развлечения и 8 часовой рабочий день - все это стало возможно только из-за обилия энергии. В природе существует универсальный закон: «если в замкнутую систему поставлять энергию, структура системы усложняется, а степень хаоса (энтропия) падает». Вся человеческая цивилизация тому подтверждение.

Правда, мы несколько извратили закон создав эквивалент энергии - деньги. И кто бы что не говорил о неподтвержденности денежных банкнот, на самом деле они подтверждаются энергией. Т. е. краеугольным камнем уровня жизни (обеспеченности) человечества является добыча и распределение энергии. Регулирование же энергетических потоков осуществляется за счет рынка - эквивалента энергосистемы цивилизации.

Именно поэтому индивидуальные источники энергии крайне невыгодны с политической точки зрения. Но потребность в них существует. Так как добыть энергию для себя?

Итак, на основании законов экологи и распространения энергии в экосистемах можно сделать следующие выводы:

1. Разнообразие видов и развитие экосистемы напрямую зависит от поступления энергии, но согласно закону минимума может не являться ограничивающим фактором развития экосистем. Т.е. экосистема способна взять столько энергии, на сколько ей позволяют это сделать другие условия. Хорошим примером является поле - для поля ограничением является наличие микроэлементов в почве, поэтому удобрения или правильный видовой состав значительно повышают биомассу.

2. Человек может извлечь часть энергии из экосистемы без вреда для нее.

3. Самым пагубным для экосистемы является уменьшение видового состава, так как это приводит к потере устойчивости.

Таким образом, задача человека одна - не навреди. Т.е. можно использовать только то, что не нарушает энергетического, информационного и вещественного баланса экосистем. Это очень общие выводы. Теперь вернемся теперь к энергетике.

Россияне потребляют около 5000 кг нефтяного эквивалента энергии. Если пересчитать на биомассу (среднее значение 10МДж против 41МДж у нефти) получится 20500кг. Много это или мало? По статистике, в средней полосе собирают (если выращивать специально, например кустарник), порядка 5000-7000кг/Га биомассы. Таким образом, на человека понадобится 3-4Га площади. Или (с учетом, что нас 143млн.) нам понадобится 572млн Га, или 5720000 Км.кв. Или 33% процента территории. Абсолютно ясно, что это не выход. Однако, если немного задуматься, то не всё так печально:

1. Энергопотери составляют 11,5%
2. 19% Энергии дают ГЭС
3. 15% Энергии дают АЭС
4. 20% Энергии тратится неэффективно (на обогрев зданий со слабой тепловой защитой, освещение и т.д.)

Т.е. это уже 15% площади. Но, все-таки, не будем уходить в крайности и оставим только то, что тратит человек (транспорт, пища, жилье) - а это всего 20-25% общих энергозатрат. Т.е. 10%территории нам достаточно, что бы запасти энергию солнца в зеленой массе. При этом, абсолютно понятно, что глупо строить ТЭЦ, работающую на дровах. А что если сделать мини-установку, работающую на дровах и дающую тепло и свет?

К чему все это? Чтобы жить в гармонии с планетой нам надо:

1. Использовать только ту энергию, которая запасается каждый год в биомассе, а не расходовать ту, что была запасена миллионами лет (нефть, газ, уголь).

2. Использовать только ту биомассу, которую можно реализовать в рамках увеличения производительности экосистем (капельный полив в пустыне, применение зольных удобрений - сохранение баланса микроэлементов и т.д.).

3. Способствовать развитию экосистем для увеличения их производительности.

4. Использовать альтернативные источники энергии там, где это наиболее эффективно, но не вредит экосистемам.

5. Ждать, когда решат вопрос с термоядерным синтезом.

А если совсем практически: средняя производительность пшеницы по надземной биомассе: 13000кг, Т.е. нам хватит двух гектар, чтобы себя обеспечить и теплом, и электричеством, только придется немного потрудится, что бы собрать это добро, а потом не забыть вернуть природе золу.
Безусловно, это не решение проблем всей энергетики в целом, но правильное отношение к биологической материи, как к универсальному аккумулятору и источнику энергии, дает возможность человеку не просто тратить то, что запасено годами, но и взращивать и укреплять то, что дается сейчас. опубликовано

1. Как вы думаете, изменится ли соотношение про-изводимой электроэнергии на станциях разного ти-па в будущем?

Производство электроэнергии на стан-циях разного типа в России аналогично среднемировому. В мире в целом 64% да-ют ТЭС, 18% — ГЭС и 18% — АЭС. В Рос-сии в последние двадцать лет наблюдается тенденция уменьшения доли ТЭС (с 76 до 67%) и увеличения роли ГЭС и АЭС. В бу-дущем все большее значение будет прида-ваться альтернативным источникам (эко-логически чистым и неисчерпаемым) — солнечной, ветровой, приливной, исполь-зованию внутреннего тепла Земли.

2. Объясните значение новых терминов: «электроэнергетика», «Единая энергосистема».

Электроэнергетика — ведущая часть топливно-энергетического комплекса, обеспечивающая элект-рификацию хозяйства страны.

В экономически развитых странах тех-нические средства электроэнергетики объединяются в автоматизированные и централизованно управляемые электроэнергетические системы.

Единая энергосистема (ЕЭС) — совокупность нескольких электроэнергетических систем, объединен-ных линиями электропередачи высокого напряжения и обеспечивающих энергоснабжение обширных территорий в пределах одной, а иногда и нескольких стран.

ЕЭС Российской Федерации, Украины, Молдавии, Грузии, Армении, Латвии, Литвы, Эстонии и Казахстана включает 9 объединенных энергосистем: Северо-Запа-да, Центра, Средней Волги, Юга, Северно-го Кавказа, Закавказья, Урала, Казахста-на и Сибири. С 1992 г. эта система объеди-няет свыше 900 электростанций общей мощностью около 280 ГВт; работает сов-местно с электроэнергетическими систе-мами стран Восточной Европы: Болга-рии, Венгрии, Польши, Румынии.

3. Проанализируйте поло-жительные и отрицательные особенности электро-станций разных типов. Какие социальные последст-вия вызывает отрицательное воздействие электро-станций на окружающую среду?

Главные отрицательные свойства теп-ловых электростанций — использование невозобновляемых источников энергии (видов топлива) и неблагоприятное воз-действие на окружающую среду (выброс в атмосферу огромного количества золы и вредных газов, поглощение кислорода). Ежегодно теплоэлектростанции выбрасы-вают в атмосферу 3,4 млн т загрязняю-щих веществ, более 20% всех выбросов промышленности. Больше загрязняют ат-мосферу только предприятия топливной промышленности (5,2 млн т). Крупные го-рода, снабжающиеся электроэнергией за счет ТЭЦ, входят в число самых за-грязненных населенных пунктов России. В них увеличивается число заболеваний среди населения (особенно дыхательной системы), растет социальная напряжен-ность.

Положительным при использовании ГЭС является то, что их строительство об-ходится дешевле строительства других электростанций.

При строительстве ГЭС происходит за-топление речных долин (наиболее ценных земель). ГЭС строятся дольше и стоят до-роже всех других типов электростанций.

Положительным фактором получения энергии с помощью ГЭС является то, что они используют совершенно бесплатную энергию падающей воды, обслуживаю-щий персонал невелик. Все это сущест-венно снижает себестоимость электроэнергии.

Используя данные таблицы, от-метьте самостоятельно все «плюсы» и «минусы АЭС».

4. Каково географическое положение вашего места жительства (села, города) по отношению к Районам добычи топливных ресурсов и ближайшим электростанциям? Какими путями поступает к вам топливо и электроэнергия? Газифицирован ли ваш населенный пункт? Во сколько обходится за год по-требление топлива и электроэнергии вашей семье?

Для того чтобы оценить, выгодно ли географическое положение вашего места жительства по отношению к предприяти-ям ТЭК, используйте соответствующие карты атласа. Ответ на остальную часть вопроса зависит от конкретных условий вашей местности.

5. Как можно добиться значительной экономии электроэнергии в стране? Какие шаги, на ваш взгляд, должны предприниматься со стороны госу-дарства, а какие — каждым из нас? Материал с сайта

Во всем мире сейчас проводится боль-шая работа по экономии электроэнергии, как на государственном уровне, так и от-дельными гражданами и общественными организациями. Приняты стандарты на выпуск энергосберегающей продукции, современная бытовая техника потребляет в несколько раз меньше энергии, чем не-сколько лет назад. Для более рациональ-ного использования светлого времени су-ток осуществляется переход на летнее время. Каждый из нас может внести нема-лый вклад в дело экономии электроэнер-гии, просто выключая свет в тех комна-тах, где в нем в данный момент нет не-обходимости.

6. Говоря об основных источниках энергии, нель-зя забывать и об альтернативных — энергии ветра, приливов, Солнца, внутреннего тепла Земли и т.д. На основании ваших знаний о природе страны, ска-жите, в каких районах России возможно их исполь-зование.

Хотя доля нетрадиционных или аль-тернативных производителей энергии в России менее 1%, за этими электростан-циями большое будущее. Уже сейчас ра-ботают Паужетская и Мутновская гео-термальные электростанции на Камчатке, приливная (Кислогубская) на Кольском полуострове.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском

На этой странице материал по темам:

• рецензия по электроэнергетике
• сочинение электроэнергия
• электроэнергетика краткий пересказ
• отрицательные свойства тепловых электростанций
• краткое содержание на тему электроэнергетика

1. Объясните значение новых терминов: «электроэнергетика», «Единая энергосистема».

Электроэнергетика - другая составная часть топливно-энергетического комплекса, задача которой - выработка электроэнергии на электростанциях и передача ее потребителям по линиям электропередачи (ЛЭП).

Единая энергосистема – электростанции, соединенные воедино линиями электропередач.

2. Используя рисунок 30, проанализируйте положительные и отрицательные особенности электростанций разных типов. Какие социальные последствия вызывает отрицательное воздействие электростанций на окружающую среду?

ТЭС – строятся быстро, повсеместно, но требуют большого количества топлива, выбрасывают в атмосферу много вредных веществ.

ГЭС – строительство долгое и дорогое, но потребляют бесплатную энергию падающей воды, себестоимость энергии небольшая, мало обслуживающего персонала, но происходит затопление большого количества плодородных земель.

АЭС – строительство долгое и дорогое, себестоимость электроэнергии меньше чем на ТЭС, оказывают незначительное воздействие на окружающую среду, но требуют высокой квалификации персонала, надежности оборудования, существует проблема утилизации отходов. Отрицательное воздействие электростанций на окружающую среду проявляется ухудшении экологических условий: загрязнение атмосферного воздуха, вод, изменение микроклимата. Под электростанции происходит отчуждение значительных территорий, что является потерей для хозяйства.

3. Говоря об основных источниках энергии, нельзя забывать и об альтернативных - энергии ветра, приливов, Солнца, внутреннего тепла Земли и т. д. На основании ваших знаний о природе страны скажите, в каких районах России возможно их использование.

Наибольшим потенциалом для солнечной энергетики обладает Краснодарский, Ставропольский край, Магаданская область и Якутия. По статистике без централизованного электроснабжения сегодня в России проживает около 10 млн. человек, это заставляет задуматься о необходимости развития отрасли. Определенные наработки в этом направлении уже есть: в России появились предприятия, владеющие технологией производства ФЭС и их монтажа с целью получения электроэнергии. Одним из положительных примеров использования энергии солнца является солнечная электростанция, расположенная в Белгородской области (Яковлевский район, хутор Крапивенские Дворы) номинальной мощностью 0,1 МВт.

Геотермальная энергетика России начала свое развитие в 1966 году: именно тогда была построена первая такая электростанция. Сегодня с помощью камчатских источников можно вырабатывать около 300 МВт электроэнергии, но реально используется лишь 25%. Геотермальные воды островов Курильской гряды обладают потенциалом в 200 МВт: этого достаточно для полного обеспечения электроэнергией всего региона. Но не только Дальний Восток привлекателен для развития геотермальной энергетики: большим потенциалом обладает Ставропольский край, Кавказ, Краснодарская область. Температура подземных вод здесь достигает 125 °С. Недавно геотермальное месторождение обнаружено в Калининградской области, что также может быть использовано.

Специалисты полагают, что приливные электростанции имеет смысл строить там, где разница уровней моря во время прилива и отлива составляет минимум 4 метра. Важно также учитывать площадь и объем приливного бассейна. Производительность приливной электростанции также зависит и от количества гидротурбин в плотине. Практическое использование энергии приливов и отливов в России можно увидеть на примере Кислогубской ПЭС: это абсолютно экологически безопасная система. Она позволяет экономить запасы углеводородов вне зависимости от водности года. Развитие этого направления может дать до 5% общего объема электроэнергии, произведенной в России.

Развитие ветроэнергетики в России существенно отстает от уровня развитых стран, которые обеспечивают таким способом до трети своих нужд в электричестве. Уровень капиталовложений для строительства «ветряков» сравнительно низкий: это должно привлечь инвесторов и заинтересовать малый бизнес. В России сегодня эксплуатируются ветрогенераторы давней постройки. Наиболее крупным является ветропарк «Куликово», размещенный под Калининградом. Его мощность составляет 5 МВт. В ближайшее время планируется увеличить ее мощность в четыре раза. Кроме того, энергию ветра используют ВЭС Тюпкильды (Башкортостан), Марпосадская (в Чувашии) и Калмыцкая ВЭС. Работают автономно: Анадырская, Заполярная, Никольская и Маркинская ветряные электростанции. Небольшие ветроустановки сегодня устанавливают для обеспечения коттеджных поселков и небольших промышленных предприятий.

4. Как можно добиться значительной экономии электроэнергии в стране? Какие шаги, на ваш взгляд, должны предприниматься со стороны государства, а какие каждым из нас?

внедрение схем автоматического включения и выключения электрооборудования, освещения подъездов и лестничных клеток, входов, лифтовых холлов и шахт, мусоросборников, технических подполий, чердаков и других помещений, а также номерных знаков, придомовой территории, мест разрытии и других опасных или запрещенных для проезда или прохода мест (например, с использованием полупроводникового регулируемого двухпрограммного выключателя ПРО-68, выпускаемого ЭЗКО АКХ);

замена светильников с лампами накаливания на люминесцентные в служебно-технических помещениях и на лестничных клетках;

контроль за использованием в светильниках, освещающих коридоры, лестничные клетки и подъезды, ламп установленной мощности;

соблюдение графиков работы электрооборудования (насосов и т. п.);

перевод электросетей жилых домов на напряжение 380/220 В;

установка в насосных установках электродвигателей требуемой мощности и частотой вращения в соответствии с обоснованным расчетом;

устранение непроизводительных потерь воды, ведущих к дополнительной работе насосов и соответствующему дополнительному расходу электрической энергии (в том числе из-за неисправностей в запорной арматуре) ;

очистка от пыли и грязи окон, потолочных фонарей и светильников на лестничных клетках.

Снижение внутриквартирного электропотребления следует осуществлять также за счет разъяснения населению необходимости бережного отношения к электроэнергии.

Кандидат физико-математических наук В. ХОРТ.

Стремясь занять ключевые позиции в энергетике, нам нельзя забывать об альтернативных источниках энергии. Один из них - получение электроэнергии из солнечного света.

Схема опыта А. Э. Беккереля. Две одинаковые металлические пластины погружены в электролит и разделены светонепроницаемой перегородкой. Когда свет падает на одну из пластин, в цепи возникает электродвижущая сила.

Первый фотоэлемент на основе селена, созданный Ч. Фритсом в 1883 году.

Схема цезиевого фотоэлемента. В стеклянную колбу помещены два электрода. Один из них, анод в форме металлического кольца, располагается в центре колбы.

Схематическое устройство полупроводникового кремниевого фотоэлемента. На основу из пластины n-кремния (n-Si) посредством диффузии наносится слой p-кремния (p-Si).

Современные фотоэлементы могут обеспечить работу ноутбука в течение всего дня.

Современный телевизор потребляет энергии не больше обычной лампочки накаливания.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Кризис наступает тогда, когда уже нельзя сказать: «Давайте всё забудем».
Предписание Фергюсона (Законы Мёрфи)

То, что свет может стать источником электричества, впервые увидел французский естествоиспытатель Александр Эдмон Беккерель. В 1839 году, работая в лаборатории своего отца, известного физика Антуана Беккереля, девятнадцатилетний Эдмон обнаружил фотогальванический эффект: при освещении платиновых пластин, погружённых в раствор электролита, гальванометр регистрировал появление электродвижущей силы. Эдмон Беккерель даже нашёл применение этому эффекту, разработав на его основе актинограф - прибор для регистрации интенсивности света.

Следующей вехой на пути к солнечным батареям стало открытие фотопроводимости селена. Его сделал Уиллоби Смит, инженер британской телеграфной компании, занимавшейся прокладкой кабеля под водой. В 1873 году, разрабатывая устройство для проверки проводов в процессе укладки, он начал поиск материала, который обладал бы большим электрическим сопротивлением, но в то же время не был бы изолятором. Измеряя сопротивление селеновых стержней, Смит заметил, что результаты сильно «прыгают» раз от раза. Оказалось, что электропроводность селеновых стержней резко увеличивается, когда на них падает свет. В 1883 году американец Чарльз Фритс сделал первый фотоэлемент из тонкого слоя селена, расположенного между пластинками золота и меди.

Немецкий физик Генрих Герц в 1887 году обнаружил влияние ультрафиолета на электрический разряд. Как и в случае с селеном, открытие было неожиданным. Наблюдая одновременно два разряда, Герц заметил, что яркая вспышка света от электрической искры первого разряда увеличивает продолжительность другого разряда.

В 1888 году наш соотечественник Александр Григорьевич Столетов исследовал, как разряжается под действием света отрицательно заряженный цинковый электрод и как этот процесс зависит от интенсивности света. Он же создал первый вакуумный фотоэлемент, который, правда, не заряжал, а разряжал батарею.

Благодаря работам Джозефа Томсона в 1899 году и Филиппа Ленарда в 1900 году было доказано, что свет, попадая на металлическую поверхность, выбивает из неё электроны, вызывая появление фототока. Однако полностью понять природу этого явления удалось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн дал его объяснение с позиции квантовой теории. Заметим, что Нобелевскую премию 1921 года «отец» теории относительности получил за работы, посвящённые именно фотоэффекту. В решении Нобелевского комитета было записано, что премия присвоена Эйнштейну за вклад в теоретическую физику, особенно за открытие закона фотоэффекта. В сущности, это объяснение основывалось на законе сохранения энергии: каждый фотон, взаимодействуя с электроном, передаёт ему свою энергию ε = hν, где ν - частота падающего света, а h = 6,626068(33)·10 -34 (дж·сек) - постоянная Планка. Эта энергия частично идёт на работу А, которую надо затратить, чтобы электрон покинул поверхность металла (работу выхода), частично - на кинетическую энергию электрона. Это соотношение описывает уравнение Эйнштейна:

Появление полупроводников привело к рождению кремниевого фотоэлемента. На пластине кремния n-Si с электронным типом проводимости (основные носители тока - свободные электроны) помещают слой кремния p-Si с дырочной проводимостью (носители тока - атомы, потерявшие электрон, «дырки»).

В зоне p–n перехода при освещении фотоэлемента возникает разность потенциалов около 0,5 В, что и используют при создании солнечных батарей. Объединяя фотоэлементы в модули, получают солнечные батареи с разным напряжением, достигающим порой нескольких сотен вольт.

Одна из важнейших характеристик фотоэлемента - коэффициент полезного действия. Его рассчитывают как процент отношения энергии света, поступившей на фотоэлемент, к энергии, доставшейся потребителю. Если бы не земная атмосфера, то на один квадратный метр поверхности, расположенной на уровне моря перпендикулярно к солнечным лучам, приходилось бы 1300-1400 Вт·ч/м 2 энергии. Из-за потерь в атмосфере на экваторе эта величина снижается до 1000 Вт·ч/м 2 . Кпд первого фотоэлемента составлял всего 1%, и даже на экваторе с одного квадратного метра можно было снять не более 10 Вт·ч. Кпд фотоэлементов, разработанных к запуску первых спутников, был уже 5-6%. Современные серийные фотоэлементы имеют кпд 14%. Но это не предел: японская компания Mitsubishi Electric в 2007 году сообщила, что им удалось достичь показателя 18,6% для фотоэлементов на базе поликристаллического кремния. А использование многослойных элементов позволило американским исследователям центра Boeng-Spectrolab получить опытные образцы с кпд более 40%. Для сравнения напомним, что кпд автомобильного двигателя составляет в среднем 23%, лишь в отдельных случаях достигая 35%.

Лауреат Нобелевской премии Жорес Иванович Алфёров считает, что кпд солнечных элементов может достигать 90%. России стоит поспешить с исследованиями в сфере солнечной энергетики, если мы хотим занять лидирующие позиции в этой области.

С ростом цен на традиционное топливо солнечные батареи начинают применять в составе автономных фотоэлектрических систем, которые можно эффективно использовать для экономии электроэнергии в быту. В состав такой системы входят солнечные модули, контроллер зарядки-разрядки, аккумуляторная батарея и инвертор. Для правильной эксплуатации аккумуляторных батарей необходимо внимательно следить за состоянием уровня их заряда. Необходимо отключать солнечные модули от заряженных аккумуляторов, и наоборот, подключать их, если батарея разрядилось на 30% (при большем разряде существенно снижается число циклов заряда-разряда).

Инвертор необходим для преобразования постоянного напряжения, обычно 12 В, в переменное 220 В. Отдельные модели преобразователей обеспечивают на выходе переменный ток с нормальной синусоидой, который полностью соответствует сетевому, что важно для некоторых сложных электроприборов, например телевизора. Инвертор необязательно использовать в фотоэлектрических системах, питающих приборы, рассчитанные на работу с постоянным напряжением. Если без преобразователя не обойтись, необходимо помнить, что эффективность всей системы упадёт на 10% - кпд современных инверторов составляет 90%.

Могут ли современные солнечные батареи обеспечить реальные потребности человека в электричестве, то есть фактически заменить привычную розетку, питающуюся от линии электропередач?

Рассчитать параметры компонентов необходимой для этого фотоэлектрической системы несложно. Допустим, потребителю требуется суммарно 1000 Вт в сутки. Такую мощность потребляет стоваттная лампочка, непрерывно горящая 10 часов. Впрочем, для энергосберегающей лампы (см. «Наука и жизнь» № ), потребляющей в 4-5 раз меньше энергии, киловатта хватит на 40-50 часов непрерывной работы. Для сравнения: среднее потребление электроэнергии на человека в Москве составляет 3000-4000 Вт в сутки.

Для начала рассчитаем ёмкость аккумуляторной батареи с учётом того, что она не должна разряжаться менее чем на 30%. Для двенадцативольтовой аккумуляторной батареи из простого уравнения: 1000 Вт·ч = (12 В × Х А·ч) × 70%, где Х - ёмкость батареи, получаем расчётную ёмкость батареи приблизительно 120 А·ч. Правда, необходимо помнить, что потери энергии в самой батарее составят около 15%, а значит, суммарная ёмкость должна составлять 138 А·ч. (Такую ёмкость с запасом обеспечивают три автомобильных свинцово-кислотных аккумулятора ёмкостью по 55 А·ч.)

Для расчёта суммарной мощности и количества солнечных элементов необходимо учесть инсоляцию - количество попадающего на поверхность прямого солнечного света. Например, для Москвы, расположенной на высоте 187 метров над уровнем моря и на широте 56°, этот показатель максимален в июне: Е июнь = 168 кВт/м 2 (здесь и далее приводятся показатели для площадки, расположенной под углом 40° к горизонту и направленной на юг). Поскольку на экваторе инсоляция на уровне моря составляет 1000 Вт·ч/м 2 , то за весь июнь один квадратной метр наклонной площадки в Москве получает солнечной энергии столько же, сколько аналогичная поверхность на экваторе за 167 часов. Фактически показатель инсоляции, поделённый на 1 кВт·ч, показывает время, за которое солнечные элементы вырабатывают электроэнергии столько же, сколько на экваторе. В действительности же на широте Москвы на один квадратный метр в июне приходится всего 700-750 Вт солнечной энергии. Другими словами, один квадратный метр поверхности в Москве получает за полтора июньских часа столько же энергии, сколько на экваторе за час. Вот почему за весь световой день в июне Москва получает света столько, сколько на экваторе поступает за 5,6 часа. Таким образом, дневной показатель инсоляции в Москве в июне составляет Е день в июне = 5,6 кВт·ч/м 2 , а в декабре и того меньше - всего Едекабрь = 2,2 кВт·ч/ м 2 . С мая по август среднедневной уровень инсоляции в Подмосковье составляет Е день летом = 5,25 кВт·ч/м 2 .

Остаётся рассчитать, сколько потребуется модулей солнечных батарей для зарядки аккумуляторов. Мощность одного модуля солнечной батареи сегодня находится в пределах от 10 до 300 Вт·ч. Предположим, что используются модули мощностью Pw = 50 Вт·ч. Стоимость такого модуля составляет примерно 200 долларов, или 4800 рублей (4 доллара за 1 Вт·ч производимой энергии). Такой модуль выработает энергии за день:

Таким образом, чтобы обеспечить потребителя необходимой энергией в декабре, потребуется не менее 29 модулей, зато летом достаточно четырёх модулей солнечных батарей.

Теперь можно прикинуть стоимость всей фотоэлектрической системы. Если исходить из её использования в течение целого года, то потребуется 6 свинцово-кислотных аккумуляторов ёмкостью 55 А·ч (в таблице указаны цены на август 2008 года).

Конечно, использовать солнечные элементы в Москве круглый год смысла пока нет. Подобная система стоила бы около 150 тыс. рублей, но бóльшую часть года работала слишком неэффективно, а летом её кпд составил бы всего 14%. Увы, Москва не слишком богата запасами солнечной энергии. Скажем, на широте Сочи для нашей гипотетической системы на год хватило бы 8 модулей, а её стоимость составила бы около 50 тыс. рублей. Летом эффективно использовать фотоэлементы можно и в Заполярье. Солнце, не опускающееся за горизонт, посылает за сутки на солнечные батареи энергии больше, чем на экваторе за весь световой день.

К сожалению, широкое применение фотоэлектрических систем пока сдерживает высокая цена. Тем не менее их уже можно использовать в местах, куда трудно и дорого тянуть провода. Стоит также принять во внимание, что затраты на фотоэлектрическую систему сравнимы с ценами на бензиновые мини-электрогенераторы, которым требуется ещё и недешёвое топливо.

1. Как вы думаете, изменится ли соотношение про­изводимой электроэнергии на станциях разного ти­па в будущем?

Производство электроэнергии на стан­циях разного типа в России аналогично среднемировому. В мире в целом 64% да­ют ТЭС, 18% — ГЭС и 18% — АЭС. В Рос­сии в последние двадцать лет наблюдается тенденция уменьшения доли ТЭС (с 76 до 67%) и увеличения роли ГЭС и АЭС. В бу­дущем все большее значение будет прида­ваться альтернативным источникам (эко­логически чистым и неисчерпаемым) — солнечной, ветровой, приливной, исполь­зованию внутреннего тепла Земли.

2. Объясните значение новых терминов: «электроэнергетика», «Единая энергосистема».

Электроэнергетика — ведущая часть топливно-энергетического комплекса, обеспечивающая элект­рификацию хозяйства страны.

В экономически развитых странах тех­нические средства электроэнергетики объединяются в автоматизированные и централизованно управляемые электроэнергетические системы.

Единая энергосистема (ЕЭС) — совокупность нескольких электроэнергетических систем, объединен­ных линиями электропередачи высокого напряжения и обеспечивающих энергоснабжение обширных территорий в пределах одной, а иногда и нескольких стран.

ЕЭС Российской Федерации, Украины, Молдавии, Грузии, Армении, Латвии, Литвы, Эстонии и Казахстана включает 9 объединенных энергосистем: Северо-Запа­да, Центра, Средней Волги, Юга, Северно­го Кавказа, Закавказья, Урала, Казахста­на и Сибири. С 1992 г. эта система объеди­няет свыше 900 электростанций общей мощностью около 280 ГВт; работает сов­местно с электроэнергетическими систе­мами стран Восточной Европы: Болга­рии, Венгрии, Польши, Румынии.

3. Используя рисунок 31, проанализируйте поло­жительные и отрицательные особенности электро­станций разных типов. Какие социальные последст­вия вызывает отрицательное воздействие электро­станций на окружающую среду?

Главные отрицательные свойства теп­ловых электростанций — использование невозобновляемых источников энергии (видов топлива) и неблагоприятное воз­действие на окружающую среду (выброс в атмосферу огромного количества золы и вредных газов, поглощение кислорода). Ежегодно теплоэлектростанции выбрасы­вают в атмосферу 3,4 млн т загрязняю­щих веществ, более 20% всех выбросов промышленности. Больше загрязняют ат­мосферу только предприятия топливной промышленности (5,2 млн т). Крупные го­рода, снабжающиеся электроэнергией за счет ТЭЦ, входят в число самых за­грязненных населенных пунктов России. В них увеличивается число заболеваний среди населения (особенно дыхательной системы), растет социальная напряжен­ность.

Положительным при использовании ГЭС является то, что их строительство об­ходится дешевле строительства других электростанций.

При строительстве ГЭС происходит за­топление речных долин (наиболее ценных земель). ГЭС строятся дольше и стоят до­роже всех других типов электростанций.

Положительным фактором получения энергии с помощью ГЭС является то, что они используют совершенно бесплатную энергию падающей воды, обслуживаю­щий персонал невелик. Все это сущест­венно снижает себестоимость электроэнергии.

Используя данные таблицы, от­метьте самостоятельно все «плюсы» и «минусы АЭС».

4. Каково географическое положение вашего места жительства (села, города) по отношению к Районам добычи топливных ресурсов и ближайшим электростанциям? Какими путями поступает к вам топливо и электроэнергия? Газифицирован ли ваш населенный пункт? Во сколько обходится за год по­требление топлива и электроэнергии вашей семье?

Для того чтобы оценить, выгодно ли географическое положение вашего места жительства по отношению к предприяти­ям ТЭК, используйте соответствующие карты атласа. Ответ на остальную часть вопроса зависит от конкретных условий вашей местности.

5. Как можно добиться значительной экономии электроэнергии в стране? Какие шаги, на ваш взгляд, должны предприниматься со стороны госу­дарства, а какие — каждым из нас?

Во всем мире сейчас проводится боль­шая работа по экономии электроэнергии, как на государственном уровне, так и от­дельными гражданами и общественными организациями. Приняты стандарты на выпуск энергосберегающей продукции, современная бытовая техника потребляет в несколько раз меньше энергии, чем не­сколько лет назад. Для более рациональ­ного использования светлого времени су­ток осуществляется переход на летнее время. Каждый из нас может внести нема­лый вклад в дело экономии электроэнер­гии, просто выключая свет в тех комна­тах, где в нем в данный момент нет не­обходимости.

6. Говоря об основных источниках энергии, нель­зя забывать и об альтернативных — энергии ветра, приливов, Солнца, внутреннего тепла Земли и т.д. На основании ваших знаний о природе страны, ска­жите, в каких районах России возможно их исполь­зование.