Энергия топлива

Едва научившись пользоваться огнем, человек стал с его помощью извлекать тепловую энергию из топлива. Первым видом топлива стала древесина, которая оставалась главной в этом качестве многие века. Ее было легко добывать, и она была самой дешевой. Но уже в XVI в. количество древесины уменьшилось, и ее начали заменять полезными ископаемыми — природным газом, углем и нефтью.

Единица измерения энергии

Энергия измеряется в джоулях (Дж). Один джоуль равен работе, совершаемой при перемещении тела на расстояние 1 м под действием на него силы в 1 ньютон (Н). Свое название эта единица измерения получила в честь известного английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818—1889).

Человек умеет преобразовывать энергию из одного вида в другой

Многие века человек мог располагать лишь живой энергией — работой своих мышц или силой прирученных им животных. Лишь относительно недавно он научился использовать окружающую его неживую энергию, заключенную в ветре, воде, свете, топливе и атоме.

Что же такое энергия? В физике это скалярная величина, характеризующая состояние системы и способность системы совершать работу или передавать энергию другим телам. Энергия может передаваться при совершении работы, при теплообмене и с помощью излучения. Человек давно научился преобразовывать энергию из одного вида в другой: например, на гидроэлектростанции энергия движущейся воды через турбину и генератор преобразуется в электрическую.

Углерод — основной компонент топлива

Самой важной составляющей частью большинства видов топлива является углерод. В угле его содержится очень много, и поэтому он горит ровно и дает жаркое пламя. Твердый уголь, или, как его еще называют, антрацит, имеет более высокий процент углерода, чем остальные виды, он дает меньше дыма и пепла.

Нефть известна издревле

Нефть была известна еще древним людям и использовалась ими в основном для освещения — в лампах и факелах. Залежи этого вещества обычно находятся на небольшой глубине. Считается, что способ добычи нефти из-под земли разработал американец Эдвин Дрейк (1819—1880). В 1859 г. он пробурил скважину глубиной около 20 м, установил ручной насос и начал выкачивать нефть на поверхность.

Газ вместо угля

В настоящее время для получения тепловой энергии вместо угля часто используют природный газ. Этому способствовали разработка крупных газовых месторождений, изобретение современных газовых технологий, строительство новых газопроводов, которые позволяют доставлять газ из мест его добычи в крупные города. А всего несколько веков назад человеку приходилось производить газ из угля.

Считается, что способ получения искусственного газа был впервые открыт шотландским инженером Уильямом Мэрдоком (1765—1813). В 1792 г. он использовал газ, выделяющийся из сгорающего угля, для освещения своего дома. Несколько лет спустя инженер применил такую же систему для освещения фабрики в Бирмингеме (крупный индустриальный город Англии).

Энергия пара

Еще в древние времена люди заметили, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, установленного на огне, способна сместить препятствие (к примеру, лист бумаги), оказавшееся на ее пути. Так, например, есть сведения, что еще в I в. греческий ученый Герои Александрийский (около 10—75) создал примитивную паровую машину, названную им «эолипил». Она представляла собой шар, который вращался под действием вырывающегося из сопел пара. Таким образом, древнему ученому (вероятно, одному из первых) удалось преобразовать тепловую энергию, полученную при помощи воды от горящего топлива, в механическую.

Первые котлы были малоэффективны

Первый аппарат, предназначенный для промышленного получения пара, — паровой котел — был построен англичанином Томасом Севери (1650— 1715) в 1698 г. Пара он производил очень мало, а из-за того, что горячие газы в основном бесполезно уходили в трубу, эффективность такого котла была очень низкой.

Результативность современных паровых котлов очень высока. Они представляют собой сложные установки, оснащенные автоматическим управлением и надежной многоступенчатой защитой.

Паровой двигатель на смену лошадям

Одним из создателей первых практически применимых паровых машин был английский изобретатель Томас Ньюкомен (1664—1729). В 1712 г. его атмосферная машина использовалась для откачивания воды из шахт. Она была громоздкой и малоэффективной, но стала важным этапом между ранними паровыми насосами и более совершенными машинами XVIII века.

Массовое применение двигателя Уатта

Джеймс Уатт (1736—1819) не изобрёл паровую машину с нуля, но во второй половине XVIII в. радикально усовершенствовал существующие конструкции: ввёл отдельный конденсатор и другие решения, резко повысившие экономичность и расширившие промышленное применение паровых машин.

Единица измерения мощности — лошадиная сила

На памятнике Джеймсу Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой». Международная единица измерения мощности названа в его честь Ваттом (Вт). Сам же изобретатель для измерения мощности ввел в обращение более наглядный термин — «лошадиная сила» (л. с.). Тем самым он хотел показать, работу скольких лошадей способен заменить его паровой двигатель. В наши дни одна «лошадиная сила» равна 735,49875 Вт. Этой единицей мощности пользуются во многих странах мира до сих пор, например, указывая мощность двигателя автомобиля.

Уменьшение размера двигателя

В Америке ведущим специалистом по созданию паровых машин был Оливер Эванс (1775—1819). Работая с обычными паровыми машинами Уатта, Эванс предложил использовать пар высокого давления, что позволило при сохранении необходимой мощности значительно уменьшить размеры двигателя.

Логика паровой турбины

Даже в усовершенствованном двигателе Уатта пар толкал поршень, который через сложный механизм вращал колесо. Хотя более логичным был аппарат, в котором вырывающийся из котла пар сразу бы создавал вращение. Такое устройство, чем-то напоминающее ветряное или водяное колесо, получило название «паровая турбина» (образовано от слова «турбо» — «вихрь»).

Первая надежно действующая паровая турбина была построена английским инженером и промышленником Чарльзом Парсонсом (1854—1931) в 1884 г. Она вырабатывала большую для тех лет мощность в 7,5 кВт (7500 Вт, около 10 л. с.).

Энергия воды

Очевидно, что залежи природного газа, угля и нефти небезграничны. Поэтому к самым значительным открытиям и изобретениям в области энергетики относятся те, которые связаны с нахождением альтернативных источников энергии. Оказалось, что в наши дни таковыми могут служить как известные ранее — энергия солнца, текущей воды, ветра, приливов и отливов, подземного тепла (геотермальная), так и открытые сравнительно недавно — энергия плазмы, химических процессов и атома.

Энергия, подаренная самой природой

Несмотря на то что эффективность древних гидроустановок была небольшой, она все равно была несравнимо 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 являются водяные мельницы, в которых водяное колесо насажено на вал жернова. Вращает вода колесо — вращается и жернов, который мелет зерно.

Работало за счет веса падающей воды

Главной деталью древней гидроустановки являлось водяное колесо. Водяные колеса, вращающиеся только за счет силы, создаваемой потоком воды, получили название «подливных».

В результате множества технических усовершенствований в Средние века появилось более эффективное верхненаливное колесо, которое вращалось за счет действия веса падающей на него воды. Диаметр таких колес мог достигать 10 м.

Сила текущей воды

Трудно точно сказать, когда люди научились использовать энергию движущейся воды. Считается, что более 2 тыс. лет до изобретения в XII в. ветряных мельниц вода была фактически единственным источником постоянной энергии. 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.

Гидротурбины более эффективны

В современных гидроустановках водяное колесо заменено более скоростной водяной турбиной. Наиболее эффективными оказались так называемые струйные и радиальные турбины. По принципу действия струйные турбины схожи с верхненаливными колесами — струя воды под сильным напором ударяет в лопасти турбины и этим заставляет 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. Первую гидротурбину подобной конструкции, примененную на практике, создал французский инженер Бенуа Фурнейрон (1802—1867). В 1832 г. он получил патент на свое изобретение.

Энергия приливов и отливов

Еще одним способом извлечения энергии из водных ресурсов планеты являются приливно-отливные станции. Оказалось, что вода, поднимающаяся более чем на 10 м во время приливов морей и океанов, несет с собой практически неограниченный запас энергии. Для ее использования в узких береговых проходах ставят преграду — плотину. Проникая через отверстие в такой плотине, вода вращает колеса или турбины, причем как во время прилива, так и во время отлива.

Одна из первых крупных приливных электростанций

Энергию приливов впервые в больших 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.

Приливная электростанция «Ля-Ранс» (La Rance) мощностью 240 МВт была введена во Франции в 1966 г. и стала первой крупной приливной электростанцией промышленного масштаба. Десятилетиями она оставалась крупнейшей в мире, но в 2011 г. её по установленной мощности превзошла южнокорейская станция Сихва (254 МВт).

Энергия ветра

Еще одним источником энергии, известным с древних времен, является энергия ветра. Ведь она, как и энергия воды, подарена нам природой. Потенциал ветроэнергетики очень велик, но его оценка зависит от высоты, технологии турбин, допустимого использования территории и характеристик энергосистемы. Ветер относится к возобновляемым источникам энергии: его формирование в значительной мере связано с неравномерным нагревом Земли Солнцем и движением атмосферы.

Первая ветряная мельница

Считается, что первым изобрел и построил ветровой двигатель греческий ученый Герои Александрийский. По крайней мере, он был первым, кто оставил документальное свидетельство использования ветра для приведения механизма в действие. В XII в. усовершенствованный ветряной двигатель получил название «ветряная мельница», так как полученная с его помощью энергия в основном использовалась для перемалывания зерна (изначально слово «мельница» значило «молоть», то есть «что-то измельчать»).

Современные ветровые турбины

Совершенствуя ветряной двигатель, человек изобрел множество его различных конструкций. Условно их можно разбить на четыре основные группы: крыльчатые, карусельные, барабанные и роторные. Самым древним и при этом наилучшим типом ветродвигателя является крыльчатый (к нему и относится ветряная мельница). Поэтому в наши дни изобретатели и конструкторы работают над усовершенствованием главным образом этого типа двигателя.

Страна ветряных мельниц

Нидерланды не случайно называют «страной ветряных мельниц». Нигде в мире вы не увидите так много ветряных мельниц, как поблизости местечка Киндердейк. Построены они были еще в 1738 г., но даже в наши дни несколько десятков мельниц остаются полностью работоспособными.

Солнечная энергия

Солнечная постоянная у верхней границы атмосферы составляет примерно 1361 Вт на квадратный метр поверхности, ориентированной перпендикулярно лучам. Если усреднить поток по всей поверхности Земли, получится около 340 Вт/м² до учёта отражения и поглощения атмосферой. Солнечную энергию давно преобразуют не только в тепло, но и непосредственно в электричество с помощью фотоэлектрических элементов.

«Солнечный» дом

В наши дни наилучшим примером использования солнечной энергии может служить обогреваемый ею дом. Для этого на крыше жилища размещается солнечный коллектор — плоская или вогнутая панель, концентрирующая солнечную энергию с целью получения тепла. Внутри такой панели находятся уложенные в виде змеевика черные гибкие трубки, подключенные к системе водоснабжения.

Концентрированная солнечная энергия способна плавить металл

Солнечную энергию можно использовать, предварительно сконцентрировав ее. Такое устройство получило название «солнечная печь». Она представляет собой большие искривленные (параболические) зеркала. Солнечные лучи, собранные такой оптической системой в одной точке, позволяют получить температуру свыше 3000 °С. Этого достаточно, чтобы плавить металлы и обрабатывать термостойкие материалы. Кроме того, такое тепло можно использовать для превращения воды в пар и затем направить его в паровую машину.

Белая шерсть «привлекает» солнце

Тёмные поверхности обычно сильнее поглощают видимое солнечное излучение, а светлые — сильнее отражают его, но тепловой баланс зависит также от инфракрасного излучения, структуры поверхности и теплообмена. Белый мех арктических животных выполняет прежде всего маскировочную и теплоизоляционную функции; популярные утверждения о «захвате 95% солнечного тепла» не следует выдавать за установленный универсальный механизм.

Энергия атома

Древнегреческий философ Демокрит (около 460—370 гг. до н. э.) рассуждал о гипотетических «атомах» — неделимых частицах вещества. Это была философская идея, а не экспериментальная теория. Современный атом вовсе не неделим: он состоит из ядра и электронов, а протоны и нейтроны ядра имеют собственную внутреннюю структуру.

В центре — ядро

Несмотря на микроскопические размеры, атом имеет сложное строение. В центре находится положительно заряженное ядро из протонов и нейтронов, а электроны описываются квантовой механикой и занимают электронные состояния вокруг ядра — они не движутся по классическим планетным орбитам. Нейтрон электрически нейтрален, но является составной частицей из кварков.

Впервые такое строение атома предложил датский физик Нильс Бор (1885—1962). После этого ученые задумались над тем, как разделить атомы на составные части. В результате этих исследований в 1897 г. французские физики Пьер (1859—1906) и его супруга Мария (1867—1934) Кюри открыли радиоактивность — свойство атомных ядер самопроизвольно изменять свой состав.

Один грамм урана дает столько же тепла, как две тонны нефти

При делении тяжёлого ядра, например урана-235, оно распадается на два основных осколка и испускает обычно несколько нейтронов. Большая часть выделившейся энергии приходится на кинетическую энергию осколков деления, которая затем превращается в тепло. Если часть нейтронов вызывает новые деления, возникает цепная реакция; в реакторе её поддерживают в управляемом режиме.

Атомы большинства веществ расщепить невозможно. Но оказалось, что это можно сделать с одним из видов урана — ураном-235 (его еще называют «изотоп урана»). При этом из одного грамма урана выделяется столько же тепла, сколько при сгорании трех тонн каменного угля или двух тонн нефти.

В состав атома входит множество частиц

Обычный атом состоит из электронов и ядра, содержащего протоны и нейтроны (за исключением наиболее распространённого изотопа водорода, ядро которого — один протон). Протоны и нейтроны состоят из кварков, связанных глюонами. Позитроны, нейтрино, мезоны и гипероны известны физике элементарных частиц, но не являются обычными составными частями атома.

Первый управляемый ядерный реактор

Для получения атомной энергии строят атомные реакторы. Пространство в реакторе, где находится ядерное топливо, называют активной зоной. Здесь идет деление атомных ядер урана и выделяется тепловая энергия, которая идет на нагревание теплоносителя.

Скоростью цепной ядерной реакции управляют регулирующие стержни из вещества, поглощающего нейтроны. Чем больше такого вещества, тем больше нейтронов оно улавливает, и тем меньше их участвует в реакции. Таким образом, процесс деления ядер протекает более равномерно и контролируемо.

Первый искусственный ядерный реактор Chicago Pile-1 под руководством Энрико Ферми достиг самоподдерживающейся управляемой цепной реакции 2 декабря 1942 г. Его построили под западными трибунами стадиона Stagg Field Чикагского университета, на площадке, ранее использовавшейся для игры в сквош. Первоначальная мощность установки была очень небольшой.

Низкоуглеродный источник с особыми требованиями безопасности

При работе атомной электростанции непосредственно в реакторе не сжигается ископаемое топливо, поэтому выбросы углекислого газа на этапе генерации невелики. Однако полный жизненный цикл включает добычу и обогащение урана, строительство и вывод объектов из эксплуатации. Ядерная энергетика требует сложных систем безопасности и обращения с радиоактивными материалами.

Отработавшее ядерное топливо и другие радиоактивные отходы требуют контролируемого хранения, переработки или окончательной изоляции. К крупнейшим авариям в истории атомной энергетики относятся авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г. и авария на АЭС «Фукусима-1» в 2011 г.; обе получили высший, 7-й уровень по международной шкале INES.

Энергия электричества

Считается, что первое зафиксированное в истории знакомство человека с электрическим явлением состоялось более 2,6 тыс. лет назад в Древней Греции. Это явление вызывалось путем натирания янтаря тканью, после чего янтарь, словно магнит, притягивал к себе легкие предметы. Это объяснялось тем, что при трении друг о друга различных тел их атомы отдают часть своих электронов, становятся положительно заряженными и, следовательно, притягивают к себе отрицательно заряженные тела.

Не случайно слово «электричество» произошло от греческого слова «электрон», которое переводится как «янтарь».

Электрический ток — это упорядоченное движение электронов

В 1729 г. английский ученый Стефан Грей (1666— 1736) обнаружил, что некоторые вещества, в частности металлы, могут проводить ток — их начали называть «проводниками». Это происходит потому, что такие вещества обладают свободными электронами. Когда такой материал подвергается воздействию электрического заряда, все свободные электроны начинают двигаться вдоль проводника от отрицательно заряженного полюса к положительному. Такое упорядоченное движение электронов и называется электрическим током.

Кроме того, Г рей обнаружил, что существуют и такие вещества, которые не проводят ток. Они были названы «изоляторами».

Надежный источник электрической энергии

Долгие годы знакомство человека с электрической энергией ограничивалось лишь научными опытами. По настоящему использовать ее начали только на заре XIX в. В 1800 г. итальянский ученый Алессандро Вольта (1745—1827) заметил, что прослойка из влажной ткани (особенно если пропитать ее раствором соли или кислоты) может усилить электризацию пары различных металлов (например, цинка и меди). Так Вольта изобрел первую электрическую батарею и тем самым дал миру первый надежный источник электрической энергии.

Человечество не осталось в долгу перед этим ученым. Именем Вольта была названа единица измерения электрического напряжения — Вольт (1 В равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой 1 А (ампер) при мощности 1 Вт).

Электрическая индукция

В 1831 г. английский ученый Майкл Фарадей (1791—1867) открыл электромагнитную индукцию. Сущность этого явления заключалась в том, что в проводнике, если его вращать между полюсами магнита, возникает электромагнитное поле. Такое поле возбуждает движение электронов, и по проводнику начинает течь электрический ток.

Первые электростанции появились в Нью-Йорке

Благодаря ряду научных открытий уже в середине XIX в. перед людьми открылись реальные возможности научиться вырабатывать и использовать электричество, в частности для освещения. В 1878 г. этой проблемой занялся известный американский изобретатель Томас Эдисон (1847—1931). Благодаря его работам уже в 1882 г. в Нью-Йорке (США) начали работать несколько электростанций, которые обеспечивали электричеством около 5 тыс. ламп.

Динамо-машина

Считается, что первый электрический генератор — устройство, способное преобразовать механическую энергию в электрическую, создал 1870 г. бельгийский инженер-электротехник Грамм Зеноб-Теофиль (1826—1901). Его генератор, получивший название «динамо-машина», мог промышленным образом добывать электрический ток. Динамо-машина состояла из подвижной части (ротора) в виде катушки с проводом, которая вращалась в магнитном поле, создаваемом неподвижным магнитом (статором). Энергия вращения под действием электромагнитной индукции, открытой Фарадеем, преобразовывалась в электричество.

Современный генератор имеет и статор, и ротор

В промышленности динамо-машины были вытеснены генераторами, вырабатывающими переменный ток, который легче поддается преобразованию и передаче на расстояние.

В отличие от динамо-машины статор современного электрического генератора имеет внутри обмотку — именно в ней при работе возникает электрический ток. А ротор на своей окружности имеет несколько сотен магнитов.

Передача энергии при помощи электрокабеля

Первая в истории постоянно действующая линия электропередачи была протянута в Германии в 1891 г. между городами Лауфен и Франкфурт. Протяженность этой линии составляла 170 км. Электричество передавалось по кабелю, закрепленному на столбах.

Современный электрический кабель может содержать один изолированный (неизолированный) или несколько изолированных проводников (в основном из алюминия или меди). Большинство проводников в электрическом кабеле представляют собой отдельные тонкие металлические, сплетенные вместе провода. Благодаря этому кабели обладают повышенной механической прочностью, гибкостью и выдерживают большую силу тока.

Бывают воздушными и подземными

В наши дни передача электроэнергии на большие расстояния в большинстве стран осуществляется по проводам, закрепленным на мачтах, а в городах — по подземным кабелям. Воздушные кабеля чаще всего не имеют изоляции, а подземные предназначаются для очень сильных токов, поэтому им необходима более надежная изоляция.

Трансформатор изобрел русский ученый

Опыт эксплуатации электропередач показал, что электрический ток испытывает сопротивление в подводящих проводах и на больших расстояниях, что приводит к заметным потерям. Оказалось, что подобных потерь будет значительно меньше, если электроэнергию передавать при высоком напряжении. На помощь пришел прибор, получивший название «трансформатор», что в переводе с латинского обозначает «преобразователь».

О возможности построения такого прибора говорил еще Фарадей, но первым построил действующий образец русский ученый Павел Николаевич Яблочков (1847—1894). 30 ноября 1876 г. он получил патент на свое изобретение.

Чем больше витков, тем сильнее повышается напряжение

Трансформатор состоит из двух обмоток (первичной и вторичной), намотанных на сердечник из тонких пластин, изготовленных из специальной стали. Переменный ток в первичной обмотке вызывает ток во вторичной (электромагнитная индукция). Отношение первичного и вторичного напряжений определяется числом витков обмоток. Например, если во вторичной обмотке в два раза больше витков, чем в первичной, то такой трансформатор повышает напряжение в два раза.

На выходе — непременно электричество

Использование каждого из уже знакомых нам источников энергии связано с рядом проблем. Так, например, ветряная или водяная мельница может совершать работу только у того места, где была построена, тепло можно передать на некоторое расстояние, но с очень большими потерями, атомная станция нуждается в надежной защите и поэтому может быть размещена только на специально подготовленной территории. Всех этих недостатков лишено электричество. Поэтому в названиях станций по производству энергии стало обязательно присутствовать слово «электро». То есть, что бы мы ни подавали «на вход» такой станции — тепло, ветер, воду, свет, расщепленный атом, «на выходе» неизменно получается энергия в виде электричества.

Тепло сгорающего топлива

Первые коммерческие теплоэлектростанции (ТЭЦ) начали строить в 80-х годах XIX в. Принцип их действия был относительно простым: топливо (уголь, нефть, газ), сгорая, превращало воду в пар, который вращал турбину, соединенную с ротором электрогенератора. В начале XX в. мощность таких станций достигала 1 млн ватт (МВт), а уже к концу столетия была доведена до нескольких тысяч МВт.

«Поющие камни» — самая крупная ГЭС

ГЭС «Итайпу» на границе Бразилии и Парагвая остается одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, однако по установленной мощности она уже не первая: китайская ГЭС «Три ущелья» имеет мощность 22,5 ГВт. «Итайпу» имеет установленную мощность около 14 ГВт и многие годы остается одним из мировых лидеров по выработке электроэнергии.

Энергия движущейся воды

Исходя из своего названия гидроэлектростанция (ГЭС) для выработки электричества использует энергию движущейся воды. ГЭС состоит из двух основных частей: энергоблока и плотины, позволяющей накапливать воду.

Самая первая гидроэлектростанция, способная вырабатывать промышленный ток, была построена в Нортумберленде (Великобритания) в 1880 г. Ее мощность была относительно небольшой, зато мощность современных гидроэлектростанций достигает 10 000 МВт.

Экологически чистый и дешевый способ

Принцип работы ветроэлектроустановки (ВЭУ) аналогичен гидроэлектростанции, только вал генератора здесь вращает не вода, а ветер. Первая ВЭУ, или, как ее тогда называли, ветрогенератор, была построена в Дании еще в 1890 г. С того времени популярность этого экологически чистого и дешевого способа получения электричества постоянно растет. В мире в этой области лидируют США, в Европе — Германия, Англия, Дания и Нидерланды. Большинство установок находится в частном использовании, то есть питают электричеством индивидуальные дома или небольшие хозяйства.

Заоблачный проект

Совсем недавно был разработан проект заоблачной ветроэлектростанции. Ее генератор должен подняться на высоту 8—10 км на огромном аэростате, соединенном с землей прочнейшими тросами. На такой высоте почти непрерывно дует ветер, а его скорость может достигать 100 м/с. Производимая такой ВЭУ электроэнергия будет передаваться на наземную станцию по кабелю.

Солнечная энергия — источник электричества

Солнечную энергию тоже можно преобразовывать в электричество. А так как Солнце дает нам и тепло, и свет, это можно сделать двумя способами. Тепловые солнечные электроустановки по принципу действия мало чем отличаются от тепловых электростанций. Основная разница состоит в том, что рабочим телом здесь служит не вода, а инертный газ, который разогревают сконцентрированными солнечными лучами до температуры, превышающей тысячу градусов. Далее горячий газ подается на лопасти газовой турбины, которая приводит в действие электрогенератор переменного тока.

Фотоэлектрический эффект наблюдал еще Александр Эдмон Беккерель в 1839 году. Практический кремниевый солнечный элемент с заметной эффективностью был создан в 1954 году в Bell Telephone Laboratories исследователями Дэрилом Чапином, Кэлвином Фуллером и Джеральдом Пирсоном. Связывать основание этой лаборатории в 1897 году непосредственно с Александром Грэмом Беллом некорректно: Bell Labs возникла позднее из исследовательских подразделений телефонной отрасли.

Первый в мире космический преобразователь солнечной энергии в электрическую был установлен на третьем искусственном спутнике Земли, запущенном в 1958 г. в Советском Союзе.

Электричество из глубины земли

Еще один крупный источник энергии, подаренной нам природой, скрыт глубоко под землей. Там, на глубине нескольких километров, существуют целые моря, заполненные горячей водой. Подземная вода не только имеет высокую температуру, но и сжата огромным давлением. Поэтому достаточно пробурить к такому «морю» скважину, чтобы вода хлынула фонтаном. Такие источники энергии называют «геотермальные» (от греч. geo — «земля» и terme — «тепло, жар»).

Подземный кипяток можно использовать по-разному. Например, для обогрева производственных или жилых помещений. С его помощью можно и добывать электричество. Первая такая геотермальная электростанция была построена в 1913 г. в Лардерелло (Италия) и действует до сих пор. В настоящее время подобные электростанции строятся во многих странах мира.

Мирный атом

Тепло, полученное в результате деления ядра, теоретически можно использовать для обогрева. Однако для этого рядом с каждым объектом пришлось бы устанавливать атомный реактор. Поэтому гораздо выгоднее превращать тепловую энергию в электрическую. Это делают на атомных электростанциях (АЭС).

АЭС завоевывают мир

Атомную электростанцию строят на основе атомного реактора. Тепло, которое выделяется в нем, передается воде первого (внутреннего) контура, циркулирующей по специальным трубам. Она разогревается до кипения и направляется в теплообменник, где превращает в пар воду второго (внешнего) контура. Горячий пар направляется в турбину и вращает генератор, вырабатывающий электроэнергию.

Первая в мире АЭС была построена недалеко от Москвы (Россия), в г. Обнинске. Она дала ток 27 июня 1954 г. — этот день во всем мире отмечают как дату начала эры мирного атома. К примеру, мощность Обнинской АЭС составила всего 5 МВт. Мощность современных АЭС почти в тысячу раз больше. Мировыми лидерами в производстве ядерной электроэнергии являются США, Франция, Япония, Германия и Россия. Всего в мире действует около 450 ядерных реакторов, общая мощность которых превышает 350 000 МВт.

Электричество для переносных устройств

Электрическую энергию не всегда удобно передавать по проводам. Ведь существуют и переносные устройства, такие как ноутбуки, мобильные телефоны, электронные фотоаппараты, калькуляторы, радиоприемники и т. п. Для их независимой работы используют иные источники электричества — батарейки и аккумуляторы.

Названы в честь Гальвани, но созданы физиком Вольта

Очень часто батарейки называют гальваническими элементами. Они были названы в честь итальянского ученого Луиджи Гальвани (1737—1798) — создателя теории «животного электричества». В 1791 г. он обнаружил, что лапка мертвой лягушки сокращается при прикосновении к ней разнородных металлических предметов. Однако ученый не извлек никакой практической пользы из своего открытия, так как не смог правильно его объяснить. Гальвани исходил из ложной гипотезы о существовании некоего животного электричества. Разобраться в этом явлении и создать на его основе полезное устройство смог физик Алессандро Вольта. Его «вольтовый столб» стал первым химическим источником тока и послужил прообразом всех современных батарей и аккумуляторов.

«Соленые» дешевле, но «щелочные» мощнее

Батареи Вольта из-за применения жидкого электролита были крайне неудобными в обращении. Поэтому настоящую революцию произвели так называемые «сухие» элементы, изобретенные французским химиком Жоржем Лекланшем (1839—1882) в 1867 г. Элементы состояли из цинкового положительного и угольного отрицательного электродов, погруженных в раствор хлорида аммония. Подобные батарейки, называемые сегодня «солевыми», являются самыми популярными из-за своей низкой стоимости.

Более мощные, но при этом и более дорогие щелочные элементы питания (их часто называют «алкалиновыми», от англ. alkaline — «щелочной») созданы в конце 50-х годов прошлого столетия. Положительный электрод в таких элементах питания представляет собой желеобразную смесь порошка цинка и щелочного электролита.

Многоразовый мощный источник электричества

Батарейки (гальванические элементы) имеют один существенный недостаток — они используются только один раз. Поэтому часто для снабжения электричеством мобильных устройств более оправдано применять источники тока многоразового использования — аккумуляторы (от лат. accumulo — «собираю, накопляю»). Они могут многократно накапливать энергию (несколько тысяч раз). В отличие от батареек аккумуляторы применяются в качестве мощных источников тока: для запуска автомобильных двигателей, источников бесперебойного питания, резервных осветительных систем, двигателей подводных лодок и специальных средств передвижения.

Надежные и независимые источники электроэнергии

Существует еще один очень перспективный источник электрической энергии. Он получил название «топливный элемент». В нем водород и кислород подаются по трубкам в ванну с едкой щелочью. Там после нескольких химических реакций получается вода, а на опущенных в ванну электродах появляется электрическое напряжение.

К сожалению, из-за сложности конструкции топливные элементы пока еще не нашли широкого применения. Но зато их используют в космических кораблях и там, где требуются независимые и надежные источники электроэнергии. Так, например, топливные элементы на основе водорода и кислорода служили в качестве главного источника электроэнергии на американских космических кораблях серии «Аполлон», доставлявших на Луну астронавтов.

Поиск совершенного аккумулятора

В 1859 г. французский инженер Гастон Планте (1834—1889) изобрел наиболее популярный в наши дни свинцово-кислотный аккумулятор. Отрицательным электродом в нем служит свинец, положительным — оксид свинца, а электролитом — серная кислота.

В 1908 г. Томас Эдисон создал аккумулятор совершенно нового типа, в котором электролитом служила щелочь (едкий калий), положительный электрод был изготовлен из никеля, а отрицательный — из измельченного железа с некоторыми примесями. Емкость нового аккумулятора оказалась почти в три раза больше, чем у свинцового.

Идеальная энергия для человечества

В будущем человек научится добывать безграничное количество энергии, не загрязняя при этом окружающий мир. И это не голословное утверждение. Знаменитый немецкий физик Альберт Эйнштейн в 1905 г. опубликовал «Специальную теорию относительности». В рамках этого научного труда он вывел формулу энергии: E=mc², где Е — энергия тела, m — его масса, с — скорость света в вакууме, округленно равная 300 млн м/с. Расчеты показывают, что даже в 1 г вещества «заключено» в пересчете на электрическую энергию 25 млн киловатт-часов, а в пересчете на тепловую — 21,5 млрд килокалорий. Человеку остается только научиться добывать ее.