Актуальные вопросы развития электроэнергетики в России XXI века

Разделы: Физика, Внеклассная работа, Экология, Конкурс «Презентация к уроку»

Классы: 9, 10, 11

Ключевые слова: физика, электрическая энергия , тепловые электростанции


Презентация к уроку

Загрузить презентацию (14,2 МБ)

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.


Цели «круглого стола»:

образовательные:

  • расширить и углубить знания по электротехники и физике в области производства, потребления и воздействия электростанций на окружающий мир;
  • проверить степень усвоения знаний студентов по электротехники и физике;
  • установить связи законов природы, общества;

воспитательные:

  • способствовать установлению уважительного отношения к докладчикам;
  • создать эмоциональные условия для самоутверждения личности;
  • укрепить веру студентов в свои знания и силы.

развивающие:

  • расширить кругозор студентов;
  • развитие умения работать в группе для достижения общих целей;
  • активизировать мыслительную деятельность студентов;
  • развить умение студентов концентрировать внимание на основном.

КМО:

  • видеопроектор,
  • протоколы для членов жюри,
  • презентация игры

Подготовка круглого стола: Были организованы 7 групп по работе над изучением проблем определенных направлений энергетики:

  • 1 группа, работающая над проблемами теплоэнергетики.
  • 2 группа, работающая над проблемами гидроэнергетики.
  • 3 группа, работающая над проблемами атомной энергетики.
  • 4 группа, работающая над проблемами ветроэнергетики.
  • 5 группа, работающая над проблемами солнечной энергетики.
  • 6 группа, работающая над проблемами термоядерной энергетики.
  • 7 группа, работающая над проблемами экономии энергии.

Перед группами поставлены проблемы:

1. История использования данного вида энергии.

2. Современные технологии энергетики данного типа.

3. Воздействие энергетики на экологию.

В плане приведено примерное изложение выступлений учащихся. Эти выступления учащиеся подготовили в период подготовки круглого стола по проблемам, которые им были предложены. В группах работали по два человека.

Ход «круглого стола»

Модератор круглого стола:

Этот урок мы посвятим энергии, той самой энергии, без которой не было бы современного общества, привычных удобств, развлечений, современной цивилизации. Жалок был человек, не имеющий в своем распоряжении всевозможных энергетических источников, помогающих ему жить. Человек без дополнительной энергии вынужден был бы полагаться только на самого себя— лишь на свои силы, на свои мускулы.

Наш урок мы проведем в виде круглого стола.

У нас имеются рабочие группы, которые работали по различным направлениям и сегодня мы обобщаем итоги их работы. Секретарем нашего круглого стола буду я, а экспертами выступят руководители рабочих групп:

  • 1 группа, работающая над проблемами теплоэнергетики.
  • 2 группа, работающая над проблемами гидроэнергетики.
  • 3 группа, работающая над проблемами атомной энергетики.
  • 4 группа, работающая над проблемами ветроэнергетики.
  • 5 группа, работающая над проблемами солнечной энергетики.
  • 6 группа, работающая над проблемами термоядерной энергетики.
  • 7 группа, работающая над проблемами экономии энергии.

Модератор круглого стола: Давайте подумаем, какой мы предъявляем требования к современной энергии?

Учащиеся

1. Должна иметься легкие, простые и экономичные способы получения.

2. Должны быть известны простые способы ее передачи от места производства к потребителю.

3. Энергия должна легко делиться между потребителями, так чтобы каждый из них получил ровно столько энергии, сколько ему нужно для производства какой-либо работы.

4. Должна быть не дорогой.

Модератор круглого стола: Проведя анализ требований к современной энергии, хочется задать вопрос: Какая же это энергия?

Учащиеся: Наиболее удобным видом энергии, отвечающим всем требованиям, является электрическая энергия.

Модератор круглого стола

Гениальные открытия Г.-Х.Эрстеда, А.Ампера, М.Фарадея, работы Э.-Х.Ленца, Б.С.Якоби, М.О.Доливо-Добровольского, многих других ученых и инженеров позволили к концу XIX века создать электрические генераторы и двигатели, дали возможность человечеству вступить в новую эпоху — эпоху электротехники. Электрогенератор и электродвигатель изменили весь уклад жизни человечества.

На круглом столе мы обсудим различные способы получения энергии и в том числе электрической, поговорим об перспективах и проблемах энергетики. Обсуждение начнем с вопроса: «Сколько человечеству нужно энергии? Сколько энергии нужно произвести, чтобы жить в теплых и удобных квартирах, чтобы создавать необходимые изделия, пользоваться транспортом, чтобы готовить пищу, чтобы развлекаться?» Слово предоставим ____________.

Учащийся (группа 7)

«Сколько нужно энергии человечеству?»

В настоящее время потребление энергии в мире составляет около 15,7 тераватт (ТВт). Разделив эту величину на население планеты, мы получим примерно 2400 ватт на человека. Таким образом, потребляемая каждым жителем Земли (включая детей) энергия соответствует круглосуточной работе 24-х 100-ваттных электрических ламп.

В развитых странах (Россия, США, европейские страны) величина потребляемой мощности почти втрое выше среднего значения, а в развивающихся втрое ниже среднего. По данным Международной Энергетической ассоциации с 1990 по 2008 год среднее потребление энергии на душу населения увеличилась на 10%, да ещё и население мира увеличилось на 27%. Региональное потребление энергии также выросло с 1990 по 2008 год: на Ближнем Востоке — на 170%, в Китае — на 146%, в Индии — на 91%, в Африке — на 70%, в Латинской Америке — на 66%, в США — на 20%, в Европе — на 7%, и всём мире — на 39%.

Специалисты считают, что к 2020 году каждому живущему на Земле понадобится для нормальной жизни примерно 3—4 киловатта мощности. Если учесть, что к этому времени население Земли будет составлять примерно 7,5 миллиарда человек, то примерная величина потребной энергетической мощности в 2020 году составит почти 30 миллиардов киловатт. Следовательно, уже в первой четверти этого века человечеству придется удвоить выпуск электроэнергии.

— В настоящее время 80% потребляемой миром энергии создается за счет сжигания ископаемых природных топлив (нефть, уголь и газ), использование которых потенциально несет опасность катастрофических экологических изменений.

У жителей Саудовской Аравии популярна следующая шутка: «Мой отец ездил на верблюде. Я обзавелся автомобилем, а мой сын уже управляет самолетом. Но вот его сын вновь пересядет на верблюда».

Похоже, что дела обстоят именно так, поскольку, по всем серьезным прогнозам, запасы нефти в мире закончатся в основном примерно через 50 лет.

По приблизительным оценкам в России вырабатывается электроэнергия на

  • ТЭС — 66 % электроэнергии
  • ГЭС —18 % электроэнергии
  • АЭС — 16 % электроэнергии

Модератор круглого стола:

И тут непременно возникнут проблемы, над которыми мы, к сожалению, только начали задумываться. Слово предоставим экологу группы 1_______________

Учащийся (группа 1)

«Воздействие ТЭС на экологию»

В сегодняшнем энергобалансе львиная доля принадлежит ископаемому топливу и биомассе. При этом для получения энергии осуществляется сжигание различных видов топлива — нефти, газа, угля, дерева,— при котором происходит выделение больших количеств углекислого газа, накопление которого в атмосфере может привести к так называемому парниковому эффекту. Углекислый газ пропускает солнечное тепло к поверхности Земли, но препятствует его излучению в космическое пространство. Уже сейчас это явление начинает ощущаться в масштабах всей планеты: растет средняя температура воздуха, содержание в нем влаги. Последствия этого явления могут оказаться катастрофическими. Если средняя температура воздуха на планете возрастет на три градуса, то это может привести к экологической катастрофе — начнется интенсивное таяние льдов в полярных областях, повышение уровня Мирового океана, катастрофические наводнения и затопления огромных прибрежных территорий, возникновение новых пустынь. Кроме парникового эффекта, непрерывно дымящие трубы тепловых электростанций и других энергетических источников могут принести и другие неприятности. Сколь бы ни были совершенны фильтры, улавливающие твердые частицы не полностью сгоревшего топлива, огромное количество их вместе с дымом попадает в атмосферу. В этих частицах содержатся различные вредные, в том числе вызывающие рак и другие болезни, вещества. На газовых теплоэлектростанциях (ТЭС) суммарные годовые выбросы вредных веществ, в которые входят на 1 ГВт установленной мощности составляют около 13 тыс. тонн в год, на угольных показатель и вовсе запредельный – 165 тыс. тонн.

Стоит также отметить, что природное ископаемое топливо (уголь, газ, нефть), используемое для производства электроэнергии, содержит от 1,5 до 4,5% серы. При сгорании топлива образуются её оксиды, которые в атмосфере вступают в контакт с атмосферной влагой. Итог – самая настоящая серная кислота и кислотные же дожди. Сколько их? Только одна ТЭС мощностью 1 ГВт (гигаватта) на угле с содержанием серы 3,5% выбрасывает в атмосферу 140 тыс. тонн сернистого ангидрида в год. Из него затем образуется около 280 тыс. тонн серной кислоты.

Но хочется добавить: для ТЭС мощностью 2 ГВт (Гигаватта) в сутки требуется два железнодорожных состава угля (примерно 300тонн). Та же ТЭС (мощностью 2 ГВт) из-за того, что для процесса горения необходим кислород, потребляет 16 млн. тонн кислорода в год. Самое интересное: угольная электростанция даёт больший удельный выброс радиоактивных веществ, чем АЭС. Дело в том, что в угле всегда содержатся природные радиоактивные вещества, которые при сжигании практически полностью попадают во внешнюю среду. Из-за этого радиоактивные выбросы ТЭС в 5–10 раз больше, чем АЭС. Так, угольная ТЭС мощностью 2,5 ГВт, работающая на угле, ежегодно выбрасывает до 0,1 Ки (кюри) долгоживущих радиоактивных продуктов в виде аэрозольных частиц урана и газообразных продуктов распада радона.

Модератор круглого стола: А что можно сказать о воздействии гидроэнергетики на экологию нашей планеты?

Учащийся (группа 2)

«Воздействие гидроэнергетики на экологию»

Водные энергоресурсы возобновляемы, при их эксплуатации нет вредных выбросов в атмосферу. Однако, их широкое внедрение безопасно с экологической точки зрения только при рациональном и ограниченном использовании. Создание огромных водохранилищ, особенно на равнинных реках, сокращает площадь посевных земель, изменяет гидрологический режим района, его климатические условия и экологию, лишает жилища множество животных и птиц, разрушает естественные взаимосвязи в живой природе, существовавшие века. Поскольку мощность ГЭС зависит от объема падающей воды и высоты её падения, энергетики стараются использовать естественные водопады или строить высокие плотины. Но и здесь следует знать меру, т.к. известно, что огромные массы воды, падающие с больших высот, усиливают сейсмичность прилегающих районов. Накопители с высоким уровнем регуляции оказывают пагубное влияние на многочисленные рыбные косяки, снижая численность отдельных популяций. Отсутствие эффективно действующих рыбоводов препятствует проникновению отдельных пород рыб в места нереста, уменьшает рыбное стадо, нарушает традиционный образ жизни людей по берегам водоемов. Строительство плотин и создание крупных водохранилищ наносит непоправимый ущерб природным ландшафтам, уничтожая их естественную красоту и гармонию.

Анализ строительства первой экспериментальной приливной станции в Баренцевом море показал, что была нарушена система глубинных течений. В результате прекратилась аэрация придонных слоев, что привело к образованию заморной зоны и сероводородному отравлению донных обитателей водоемов.

Модератор круглого стола: Долгое время атомные электростанции, по мнению ученых и инженеров, казались решением проблемы роста объемов производства энергии. Казалось, что они снимают проблемы, возникающие при сжигании органического топлива, обеспечивают сравнительную экологическую чистоту производства энергии. Давайте послушаем эколога группы №3.

Учащийся (группа 3)

«Воздействие ядерной энергетики на экологию»

Ядерная энергетика для производства энергии не использует органическое топливо и не принимает участия в образовании кислотных дождей, золы, альдегидов, не потребляет кислород атмосферы. Некоторые страны, например Франция, сделали на атомную энергетику основную ставку — доля энергии, производимой на АЭС, достигла 70%. Вероятность аварий на АЭС оценивалась как пренебрежимо малая (10-7)! Проблемы безопасности атомных электростанций казались вполне разрешимыми. Математическая вероятность – это одно, а в жизнь другое и человечество пережило уже не одну реальную аварию – несмотря на малую вероятность такого события. Ряд аварий на атомных станциях показали, какую опасность несет в себе атомная энергетика, кроме этого добавляется вопросы радиоактивных отходов. Вообще на сегодняшний день в атомной энергетике есть много проблем. Технические ошибки в использовании атомной энергии привела к тому, что степень использования топлива на атомных станциях в настоящее время ниже, чем даже на тепловых!

Основные аргументы, которые настраивают общество против строительства АЭС это экологические риски в результате возможных аварий. Однако эти риски лишь верхушка айсберга, ведь АЭС на самом деле не имеют никаких преимуществ перед другими источниками электроэнергии с точки зрения экономики. Они чрезмерно дорогостоящи в сооружении, эксплуатации и утилизации отходов и отработанных энергоблоков. Запасы уранового топлива ограничены ещё больше, чем запасы нефти и газа. В результате деятельности АЭС образуется большое количество ядерных отходов, проблема захоронения которых не решена. Захоронение отходов обходится дорого и напрямую угрожает нашей экологии и безопасности. Если мы будем создавать десятки новых АЭС в России, то эта проблема будет значительно приумножена, и может составить серьезную головную боль для нас и будущих поколений. А ведь сюда ещё добавляются и утилизация оборудования отслуживших АЭС, а это по оценкам специалистов практически равнозначно (если не превышает) капитальные затраты на строительство новой АЭС. Уже сегодня 6 из 29 российских атомных энергоблоков выработали свой ресурс, но продолжают работать в связи с отсутствием средств на финансирование снятия с эксплуатации, а это приводит к росту нештатных ситуаций на этих атомных энергоблоках.

Модератор круглого стола:

В этих условиях взгляды ученых все чаще обращаются к источникам энергии экологически чистым, не вредящим природе и человеку. Это давно известные человечеству энергии ветров, приливов, морских течений и волнений, тепла Земли, наконец, к прямому использованию солнечной энергии. Пока доля этих источников в общем энергобалансе невелика. Но они крайне привлекательны для энергетиков. Во-первых, эти источники возобновляемые. Они были, есть и будут всегда. Всегда будут дуть ветры, всегда будет светить Солнце, всегда будет в движении Мировой океан. И, во-вторых, их использование практически не приводит ни к каким нежелательным для природы и человека последствиям. Вот почему доля этих источников в энергопотреблении будет постоянно возрастать, а сравнительная стоимость производства энергии этими способами будет неуклонно снижаться.
От экологии перейдем к экономии. Предоставим слово ____________________.

Учащийся (группа 7)

Эффективность использования энергии

Приведем несколько примеров. На освещение у нас в стране используется примерно восьмая часть произведенной электроэнергии. Но эта энергия потребляется в основном лампами накаливания — устройствами, световая отдача которых очень мала! Переход на более экономные люминесцентные источники света мог бы принести и больше света в наши помещения, и большую экономию энергии. Ученые подсчитали, что неэффективное освещение ежегодно уносит около 60 миллиардов киловатт-часов электроэнергии, для производства которых нужно сжечь 18 миллионов тонн угля или 12 миллионов тонн нефти.

А проблема экономии тепла! Только треть тепла, пришедшая в наш дом, действительно его отапливает. Столько же уходит через плохо утепленные окна и двери, 16% уходит через кровлю, 18%—через стены, 6%—через подвалы. Новые конструкции зданий, усовершенствованные строительные материалы помогут намного сократить потери тепла в наших домах.

И еще одна любопытная цифра: 3640 миллионов киловатт-часов ежегодно расходуются только на то, чтобы подать в квартиры воду, которая бесполезно выкапывает через плохие краны.
В общем, на пути экономии мы можем найти весьма обильные энергетические источники.

Модератор круглого стола:

Мы должны готовить себя к энергетической революции — может быть, в XXI веке в энергетику придут термоядерные электростанции. Путь от идеи до массового внедрения занимает в энергетике примерно полвека. Первые опыты по термоядерному синтезу принадлежат пятидесятым годам прошлого столетия. Так, может быть, начало нового тысячелетия принесет нам новые, экологически чистые термоядерные электростанции? О них нам расскажет _______________.

Учащийся (группа 6)

Проблема «современные технологии термоядерной энергетики»

В настоящее время ученые работают над созданием термоядерной электростанции, преимуществом которых является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченное время. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза — реакции синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия и выделением энергии. Реакция термоядерного синтеза не дает газообразных и жидких радиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется для производства ядерного оружия. Если еще учесть, что горючим для термоядерных станций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простой воды — в полулитре воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, что получится при сжигании бочки бензина, — то преимущества электростанций, основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.

В ходе термоядерной реакции энергия выделяется при соединении легких атомов и превращении их в более тяжелые. Чтобы этого добиться, необходимо разогреть газ до температуры свыше 100 миллионов градусов - намного выше температуры в центре Солнца.

Газ при такой температуре превращается в плазму. Атомы изотопов водорода при этом сливаются, превращаясь в атомы гелия и нейтроны и выделяя большое количество энергии. Коммерческая электростанция, работающая на этом принципе, использовала бы энергию нейтронов, замедляемых слоем плотного вещества (лития).

По сравнению с атомной электростанцией термоядерный реактор будет оставлять после себя гораздо менее радиоактивные отходы.

Представители Европейского союза, США, Японии, Китая, Южной Кореи и России намерены начать строительство экспериментального реактора в 2007 году и закончить его в течение восьми лет. Если все пройдет согласно плану, то к 2040 году может быть построена демонстрационная электростанция, работающая по новому принципу. Стоимость работ оценивается в 10 млрд. евро - это самый дорогой международный проект электростанции. Половину затрат по возведению реактора берет на себя Евросоюз. Другие участники консорциума выделят по 10% сметы. Реактор будет построен в южной французской провинции Прованс, в окрестностях города Кадараш, где находится французский центр ядерных исследований.

Модератор круглого стола:

Но все же традиционные методы получения энергии занимают до сих пор основное место в энергетическом балансе. Поэтому задача инженеров — усовершенствование этих традиционных технологий, превращение их в экологически более чистые, экономичные.

Ученые считают, что преобразование облика энергетики XXI века будет определяться такими достижениями научно-технического прогресса, как керамические двигатели, высокотемпературная сверхпроводимость, плазменные технологии, более эффективные способы сжигания угля и, наконец, возобновляемые источники энергии. В этих областях науки и техники огромное поле деятельности для будущих ученых и инженеров.

Мы начали обсуждение темы нашего круглого стола с экологической стороны вопроса, а что скажут наши историки и инженеры, работающие в группах, о развитии энергетики. Ученые пока еще не знают, а может быть, и никогда точно не узнают, когда на Земле появились первые люди, но можно утверждать, что путь человечества к современной цивилизации начался в момент, когда древний человек взял в руки палку или камень, превратив их в орудие труда. Эти орудия увеличили физические возможности первобытного человека, и дали ему дополнительную энергию для развития.

Первое величайшее событие в истории энергетики — человек овладел огнем. Огонь сделал человека еще сильнее. Его уже не пугала непогода, звери, ведь они смертельно боялись огня. С помощью огня люди научились многому: выплавлять металлы, обжигать керамику, обрабатывать землю, жить там, где зимы, были суровы. Огонь сделал человека сильнее даже физически. Огонь помог человеку усовершенствовать себя как своеобразную энергетическую машину, потребляющую особое топливо — пищу. Врачи оценивают пищу по ее калорийности, то есть чисто энергетически.

Огонь и сейчас используется для получения энергии, в том числе и электрической. Над этой проблемой работали учащиеся группы 1. Давайте предоставим им слово.

Учащиеся (группа 1)

История паровой машины связана с промышленной революцией. Водяные колеса устанавливали лишь на достаточно быстрых и полноводных реках. Ветер зависел от погоды. Энергия домашних животных была затратная и мала по мощности.

Многие пытались обуздать и поставить на службу человеку могучую силу пара. Они шли разными путями. И вклад каждого в окончательное решение этой задачи различен. Итальянец Бранка, француз Соломон де Ко, русский Ползунов, англичане Ньюкомен и Уатт — такой далеко не полный список изобретателей свидетельствует о том, что новые источники энергии искали во всем мире.

Паровая машина позволила человеку превращать в работу внутреннюю энергию, запасенную в угле, дереве, торфе. Уже к середине XIXвека практически повсюду на смену воде и ветру пришел пар. На многочисленных заводах и фабриках пар приводил в движение станки, при помощи пара поднимали грузы, с его помощью передвигались паровозы и пароходы. Словом, паровые машины были повсюду.

Но у паровых машин обнаружились серьезные недостатки: низкий коэффициент полезного действия, потребность в большом количестве топлива. Передача движения от машины к станкам дело непростое. Привод станков осуществлялся при помощи запутанной и ненадежной системы передаточных ремней или других передач. В-третьих, вид городов, покрытых сажей, извергаемой тысячами труб заводов и котельных, уже тогда заставлял все чаще задумываться о том, что паровая машина отнюдь не идеальное энергетическое орудие.

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Имеются так же другие попытки использовать пар. В 1680 в Англии Дени Папен создал паровой котел, проложив, таким образом, путь к паровому двигателю Ньюкомена. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. Это был поршневой паровой насос. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

В 1712 года английский кузнец Томас Ньюкомен создал «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал паровую машину, которая производила непрерывное вращательное движение вала, его можно было использовать в любом месте для любой цели. Это было начало промышленной революции в Англии.

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Его изобретение можно считать первым автомобилем.

Паровые турбины делятся на активные и реактивные. В активной турбине потенциальная энергия водяного пара преобразуется в кинетическую в неподвижных сопловых устройствах и используется для создания полезной работы на рабочих лопатках турбины. Первую активную паровую турбину построил шведский инженер К.Лаваль в 1889 г. Турбина Лаваля представляла собой колесо с укреплёнными по ободу лопатками. Струя пара, выходя из сопел статора, давит на лопатки и вращает колесо (ротор). В реактивной турбине значительная часть потенциальной энергии водяного пара преобразуется в механическую работу в лопаточных каналах рабочего колеса (ротора), имеющих конфигурацию реактивного сопла. Реактивную паровую турбину изобрёл английский инженер Ч.Парсонсв 1884 г. Каждый ряд направляющих и рабочих лопаток называется ступенью турбины. В одноступенчатой турбине не удаётся достаточно полно использовать энергию пара, поэтому современные турбины строят многоступенчатыми. Проходя через многочисленные ряды лопаток, пар расширяется постепенно, и его кинетическая энергия переходит в механическую энергию вращения ротора более полно. При этом чем ниже давление, тем длиннее лопатки ротора. Как и в паровой машине, пар из турбины направляется в конденсатор. Кроме конденсационных паровых турбин применяют теплофикационные турбины с промежуточным отбором пара для целей отопления.

Модератор круглого стола:

Итак, Огонь был первым источником дополнительной энергии и до сих пор он остается лидером в общем объеме энергобаланса. Но современные тепловые двигатели отличаются повышенным КПД, более экологическим топливом и возможностью автоматизации технологических процессов.

Учащиеся (группа 1)

1824 году Сади Карно формулирует идею цикла Карно, утверждая, что в максимально экономичной тепловой машине нагревать рабочее тело до температуры горения топлива необходимо «изменением объема», то есть быстрым сжатием. В 1890 году Рудольф Дизель предложил свой способ практической реализации этого принципа. К началу 1897 года был успешно испытан его двигатель, который получил название дизель. Первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или лёгких нефтепродуктах. Независимо от Дизеля в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». При сопоставлении двигателей постройки «Дизель-мотора» и «Тринклер-мотора» русская конструкция, появившаяся на полтора года позднее немецкой и испытанная на год позднее, оказалась гораздо более совершенной и перспективной.

Модератор круглого стола:

История паровой машины насчитывает чуть более 300 лет, а история ДВС ещё меньше, но история человечества это тысячелетия, а что использовало человечество до промышленной революции?

Миллионы лет человек полагался только на свои мышцы, других источников энергии у него не было. Девять-десять тысяч лет назад люди приручили домашних животных. Часть своих забот они переложили на лошадей, буйволов, верблюдов, собак и других одомашненных зверей.

Примерно десять тысячелетий назад возникла металлургия: вначале — на основе меди и медного сплава (бронзы), потом — железа. Энергетические потребности человека резко возросли. Развивающееся земледелие потребовало проведения больших работ по орошению земель. Усложнилась добыча руд. Нужно было производить больше вещей, чтобы обменять их на другие. Вот тогда-то, наверное, и разразился первый в истории человечества энергетический кризис! Силы собственных мышц не хватало, а другие источники энергии отсутствовали,— это была эпоха «мышечной энергетики». Но этого было мало. Тогда люди обратились к тем источникам, которые всегда были под рукой — к текущей воде и ветру. Появились паруса, воздушные и водяные колеса. Предоставим слово учащимся группы 4.

Учащиеся (группа 4)

«История использования ветра людьми»

С незапамятных времен энергия ветра верно служила людям. Древние греки считали, что легендарный Прометей научил людей не только пользоваться огнем, но и оснастил корабли парусами.

Древние египтяне 7 тыс. лет назад использовали ветер, чтобы переплывать Нил на парусной лодке. Четыре тысячи лет тому назад отважные финикийцы, жившие на восточном берегу Средиземного моря, доплывали до устья Нила, а немного позже отваживались и на морские путешествия вокруг Африки. Парус стал верным помощником мореходов. Много столетий он служил единственным источником движущей силы для морских кораблей. Великие географические открытия XV—XVI веков, освоение новых континентов (Северной и Южной Америки, Австралии и даже Антарктиды) и множества островов, кругосветные путешествия, изменившие представления людей о родной планете, тесно связаны с использованием верного друга мореплавателей — паруса. Конечно, парусные судна эпохи великих географических открытий резко отличались от древних. К далеким неизвестным берегам отважных путешественников уносили многомачтовые, снабженные богатым парусным вооружением красавицы-каравеллы, которые умели легко маневрировать, используя для движения самый легкий или даже встречный ветер.

Пробовали ставить паруса и на сухопутные повозки. Тысячу лет назад киевский князь Олег при осаде Царьграда поставил свои корабли на колеса. С попутным ветром двигались они к городу, приводя защитников крепости в смятение.

Парусные повозки строил и знаменитый голландский механик Симон Стевин. Строили их и в Испании, во Франции, в других странах. Конечно, они не прижились — маневрировать на земле против ветра значительно труднее, чем в море. Но идея «земного» паруса дожила и до наших дней, правда, только в виде увлекательного спорта— катания на буерах, в том числе и колесных.

Силу ветра использовали с давних времен и в ветряных мельницах.

Первая ветряная мельница была построена в Китае задолго до нашей эры. В Вавилоне при царе Хаммурапи (около 1750 г. до н. э.) ветряные мельницы использовались не только чтобы перемалывать в муку зерно, но они заставляли звучать орган. Ветряные мельницы использовались для размола зерна в Персии уже в 200-м году до н. э. А вот в Западной Европе ветряные мельницы появились позднее, их устройство подсмотрели у арабов крестоносцы и, вернувшись из походов на восток, построили первые ветряные мельницы у себя на родине в XII в. С 1180 г. такие мельницы были известны во Фландрии, Юго-Восточной Англии и Нормандии. В XIII веке в Священной Германской Римской империи появились конструкции мельниц, в которых всё здание поворачивалось навстречу ветру В XIV столетии в Голландии ветряки начали использовать для откачивания воды с польдерных (ниже уровня моря) полей. К 1900 г. в Дании было приблизительно 2500 ветряных мельниц. Помимо откачки воды мельницы в Западной Европе использовались и для других нужд. Например, испанский дворянин Дон Кихот ухитрялся воевать с ними, отважно бросаясь с копьем на "дьявольские создания".

Ветряные мельницы, производящие электричество, были изобретены в XIX веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908-му году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт.

Модератор круглого стола:

История использования ветра не закончилась. В конце 20 начале 21 века человечество вновь обратилось к неисчерпаемому источнику этой энергии. Давайте послушаем _______________ по современному состоянию этого вопроса

Учащиеся (группа 4)

«Технологии современной ветроэнергетики»

Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью, так в конце 2012 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 282,6 гигаватта. В 2010 году количество электрической энергии, произведённой всеми ветрогенераторами мира, составило 430 тераватт-часов (2,5 % всей произведённой человечеством электрической энергии). Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику, в частности, на 2011 год в Дании с помощью ветрогенераторов производится 28 % всего электричества, в Португалии — 19 %, в Ирландии — 14 %, в Испании — 16 % и в Германии — 8 %. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Однако, сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики.

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается свыше 50 000 млрд кВт*ч/год. Энергетические ветровые зоны в России расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Дона, побережье Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Чёрного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.

Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период — период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30 % экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14 % — в Северном экономическом районе, около 16 % — в Западной и Восточной Сибири.

Суммарная установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2009 год составляет 17-18 МВт.

Самая крупная ветроэлектростанция России (5,1 МВт) расположена в районе посёлка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Она состоит из 21 установки датской компании SЕАS Energi Service A.S.

Ветрянные электрические станции имеются в республике Башкортостан, Коми, Калмыкии, Алтай, Ддагестан, Карелии на Чукотке, на островах в Тихом океане (Командорские острова), на Кольском полуострове, В Ленинградской, Магаданской, Камчатской областях, Приморском и Краснодарском краях, на берегу Азовского моря.

Современные лопасти ветряных электростанций в диапазоне 30 метров в длину, как правило, изготовлены из армированного стекловолокном полиэстера или древесно-эпоксидной смолы. Скорость вращения лопастей от 12 до 24 оборотов в минуту на низкой скорости. Редуктор повышает скорость вращения вала с низкой скорости (приблизительно от 12 до 24 оборотов в минуту) до высокой скорости вращения (примерно 1000 - 3000 оборотов в минуту), и приводит в движение генератор. Генератор использует магнитные поля, чтобы преобразовать результирующую вращательную энергию в электрическую энергию. Анемометр и флюгер расположены на задней стороне корпуса ветровой турбины и измеряют скорость ветра. Собранная информация используется системой управления для того, чтобы вырабатывать максимальное количество энергии. Современная ветряная электростанция начинает вырабатывать энергию при скорости ветра от 4 м/с и выключается при скорости около 25 м/с. Механизм рыскания поворачивает ротор в преобладающее направление ветра. Башни для современных ветровых электростанций бывают высотой от 60 метров до 100 метров.

Кроме обычных Ветровых электростанций инженеры и конструкторы разрабатываю новых формы преобразования ветровой энергии в электрическую энергию. Например, летающие и аэростатные электрические генераторы

Модератор круглого стола:

Мы сказали, что ветряные электростанции являются экологически чистые, но какие все-таки недостатки имеют эти станции?

Учащийся (группа 4)

«Воздействие ветроэнергетики на людей»

Важной проблемой использования ветровых генераторов являются сильные вибрации их несущих частей, которые передаются в грунт. Значительная часть звуковой энергии приходится на инфразвуковой диапазон, для которого характерно отрицательное воздействие на организм человека и многих животных.

Кроме того скорость вращения лопастей ветровых генераторов близка к частоте синхронизации телевидения ряда стран, то работа ветровых генераторов нарушает прием телепередач в радиусе 1-2 км от генератора. Ветровые генераторы являются также источниками радиопомех. Вращение лопастей ветровых генераторов губит птиц. Так как обычно ветровые установки располагаются в больших количествах в районах сильных ветров (хребты, морское побережье), то они могут приводить к нарушению миграции перелетных птиц. Модуляция ветрового потока лопастями создает некоторое подобие регулярных структур в воздухе, которые мешают ориентации насекомых. В Бельгии установили, что это приводит к нарушению устойчивости экосистем полей, расположенных в зоне ветровых установок, в частности наблюдается падение урожайности.

См. продолжение "круглого стола"