Використання не традиційних видів енергії (енергія сонця, вітру, біоенергія,..) в Україні та світі

     Енергія сонця. 

     Для стародавніх народів Сонце було богом.

     Своєю життєдайною силою Сонце завжди викликало у людей відчуття поклоніння і страху. Народи, тісно пов'язані з природою, чекали від нього милостивих дарів – урожаю і достатку, гарної погоди і свіжого дощу або ж кари – негоди, бур, граду. Тому в народному мистецтві ми усюди бачимо зображення Сонця: над фасадами будинків, на вишивках, в різьбленні і т.п.

     Майже всі джерела енергії, про які  ми до цих пір говорили, так або  інакше використовують енергію Сонця: вугілля, нафта, природний газ суть не що інше, як “законсервована” сонячна енергія. Вона поміщена в цьому паливі з незапам'ятних часів; під дією сонячного тепла і світла на Землі росли рослини, накопичували в собі енергію, а потім в результаті тривалих процесів перетворилися на паливо, що вживалося сьогодні. Сонце щороку дасть людству мільярди тонн зерна і деревини. Енергія річок і гірських водопадів також походить від Сонця, яке підтримує кругообіг води на Землі.

     У всіх приведених прикладах сонячна  енергія використовується побічно, через багато проміжних перетворень. Принадно було б виключити ці перетворення і знайти спосіб безпосередньо перетворювати теплове і світлове випромінювання Сонця, падаюче на Землю, в механічну або електричну енергію. Всього за  три  дні Сонце посилає на Землю стільки енергії, скільки її міститься у всіх розвіданих запасах викопних палив, а струмінь сонячного випромінення, що проходить через 1 м² площі, розташований перпендикулярно потоку випромінення, на відстані однієї астрономічної одиниці, дорівнює 1367 Вт/м². Велику частину цієї енергії розсіює або поглинає атмосфера, особливо хмари, і лише третина її досягає земної поверхні. Вся енергія, що випускається Сонцем, більше тієї її частині, яку отримує Земля, в 5000000000 разів. Але навіть така “нікчемна” величина в 1600 разів більше енергії, яку дає решта всіх джерел, разом узяті. Сонячна енергія, падаюча на поверхню одного озера, еквівалентна потужності крупної електростанції.

     Сьогодні  для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію ми маємо  в своєму розпорядженні дві можливості: використовувати сонячну енергію як джерело тепла для вироблення електроенергії традиційними способами (наприклад, за допомогою турбогенераторів) або ж безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричний струм в сонячних елементах.  Сонячну енергію використовують також після її концентрації за допомогою дзеркал – для плавлення речовин, дистиляції води, нагріву, опалювання і т.д.

     Оскільки  енергія сонячного випромінювання розподілена за великою площею (іншими словами, має низьку щільність), будь-яка  установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збираючий пристрій (колектор) з достатньою поверхнею.

     Простий пристрій такого роду – це колектор, чорна плита, добре ізольована знизу. Вона прикрита склом або пластмасою, яка пропускає світло, але не пропускає інфрачервоне теплове випромінювання. У просторі між плитою і склом найчастіше розміщують чорні трубки, через які течуть вода, масло, ртуть, повітря, сірчистий ангідрид і т.п. Сонячне випромінювання, проникаючи через скло або пластмасу в колектор, поглинається чорними трубками і плитою і нагріває робочу речовину в трубках. Теплове випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в нім значно вища (па 200–500°С), ніж температура навколишнього повітря. У цьому виявляється так званий парниковий ефект. Звичайні садові парники, по суті справи, є простими колекторами сонячного випромінювання. Але чим далі від тропіків, тим менш ефективний горизонтальний колектор, а повертати його услід за Сонцем дуже важко і дорого. Тому такі колектори, як правило, встановлюють під певним оптимальним кутом на південь.

     Складнішим  і дорожчим колектором є увігнуте дзеркало, яке зосереджує падаюче  випромінювання в малому об'ємі біля певної геометричної крапки – фокусу. Відзеркалювальна поверхня дзеркала виконана з металізованої пластмаси або складена з багатьох малих плоских дзеркал, прикріплених до великої параболічної підстави. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця, це дозволяє збирати можливо більшу кількість сонячного випромінювання. Температура в робочому просторі дзеркальних колекторів досягає 3000°С і вище.

     Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва  енергії.

     На  думку фахівців, найпривабливішою ідеєю  щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту в напівпровідниках.

     Але, для прикладу, електростанція на сонячних батареях поблизу екватора з добовим  виробленням 500 МВт·ч (приблизно стільки  енергії виробляє досить велика ГЕС). Ясно, що таке величезна кількість сонячних напівпровідникових елементів може окупитися тільки тоді, коли їх виробництво буде дійсне дешево. Ефективність сонячних електростанцій в інших зонах Землі була б мала із-за нестійких атмосферних умов, щодо слабкої інтенсивності сонячної радіації, яку тут навіть в сонячні дні сильніше поглинає атмосфера, а також коливань, обумовлених чергуванням дня і ночі.

     Проте сонячні фотоелементи вже сьогодні знаходять своє специфічне застосування. Вони виявилися практично незамінними  джерелами електричного струму в ракетах, супутниках і автоматичних міжпланетних станціях, а на Землі – в першу чергу для живлення телефонних мереж в не електрифікованих районах або ж для малих споживачів струму (радіоапаратура, електричні бритви і запальнички і т.п.).  

     Використання сонячної енергії.  

     Згенерована на основі сонячного випромінювання енергія зможе до 2050 року забезпечити 20-25% потреб людства в електриці  і скоротить викиди вуглекислоти. Як вважають експерти Міжнародного енергетичного  агентства (IEA), сонячна енергетика вже через 40 років при відповідному рівні поширення передових технологій буде виробляти близько 9 тисяч терават-годин - або 20-25% всього необхідного електрики, і це забезпечить скорочення викидів вуглекислого газу на 6 млрд тонн щорічно.

     Зараз багато країн Європи активно використовують найменші можливості для розміщення сонячних батарей: дахи будівель; відкриті гілки метро, що примусово ховаються у тунелі із “сонячним дахом”;....

     Максимальна потужність фотоелектричних панелей  в будинку Роуз (Rose House) оцінюється в 3,3 кВт. При фактичному використанні, він генерує постійну середню потужність близько 6 кВт / год на добу.

     Атомна  енергія. 

     При дослідженні розпаду атомних  ядер виявилось, що кожне ядро важить менше, ніж сума мас його протонів і нейтронів. Це пояснюється тим, що при об'єднанні протонів і нейтронів в ядро виділяється багато енергії. Спад маси ядер на 1г еквівалентний такій кількості теплової енергії, яке вийшло б при спалюванні 300 вагонів кам'яного вугілля. Не дивно тому, що дослідники доклали всіх сил, прагнучи знайти ключ, який дозволив би “відкрити” атомне ядро і вивільнити приховану в нім величезну енергію.

     Спочатку  це завдання здавалося нерозв'язним. Як інструмент учені не випадково  вибрали нейтрон. Ця частинка електрично нейтральна, і на неї не діють електричні сили відштовхування. Тому нейтрон легко може проникнути в атомне ядро. Нейтронами бомбардували ядра атомів окремих елементів. Коли ж черга дійшла до урану, виявилося, що цей важкий елемент поводиться інакше, ніж інші. До речі, слід нагадати, що уран, що зустрічається в природі, містить три ізотопи: уран-238 (^238U), уран-235 (^235U) і уран-234 (^234U), причому цифра означає масове число.

     Атомне  ядро урану-235 виявилося значно менш стійким, чим ядра інших елементів  і ізотопів. Під дією одного нейтрона наступає ділення (розщеплювання) урану, його ядро розпадається па два приблизно однакових уламка, наприклад на ядра криптону і барію. Ці осколки з величезними швидкостями розлітаються у різних напрямах.

     Але головне в цьому процесі, що при розпаді одного ядра урану виникають два-три нові вільні нейтрони. Причина полягає в тому, що важке ядро урану містить більше нейтронів, чим їх потрібний для утворення двох менших атомних ядер. “Будівельного матеріалу” дуже багато, і атомне ядро повинне від нього позбавитися.

     Кожен з нових нейтронів може зробити  те ж, що зробив перший, коли розщепнув  одне ядро. Насправді, вигідна калькуляція: замість одного нейтрона отримуємо  два-три з такою ж здатністю  розщепнути наступні два-три ядра урану-235. І так продовжується далі: відбувається ланцюгова реакція, і, якщо нею не управляти, вона набуває лавинного характеру і закінчується щонайпотужнішим вибухом – вибухом атомної бомби. Навчившись регулювати цей процес, люди дістали можливість практично безперервно отримувати енергію з атомних ядер урану. Управління цим процесом здійснюють в ядерних реакторах.

     Ядерний реактор – пристрій, в якому  протікає керована ланцюгова реакція. При цьому розпад атомних ядер служить регульованим джерелом і  тепла, і нейтронів.

     Перший  проект ядерного реактора розробив в 1939 р. французький вчений Фредерік Жоліо-кюрі. Але незабаром Францію окуповували  фашисти, і проект не був реалізований.

     Ланцюгова реакція ділення урану вперше була здійснена в 1942 р. в США, в  реакторі, який група дослідників на чолі з італійським ученим Енріко Фермі побудувала в приміщенні стадіону університету Чікаго. Цей реактор мав розміри 6х6х6,7 м і потужність 20 кВт; він працював без зовнішнього охолоджування.

           Небаченими темпами  розвивається сьогодні атомна енергетика.

           В принципі енергетичний ядерний реактор влаштований  досить просто – в нім, так само як і в звичайному казані, вода перетворюється на пару. Для цього використовують енергію, що виділяється при ланцюговій реакції розпаду атомів урану  або іншого ядерного палива. На атомній електростанції немає величезного парового казана, що складається з тисяч кілометрів сталевих трубок, по яких при величезному тиску циркулює вода, перетворюючись на пару.

     Атомні  реактори на теплових нейтронах розрізняються між собою головним чином по двох ознаках: які речовини використовуються як сповільнювач нейтронів і які як теплоносій, за допомогою якого проводиться відведення тепла з активної зони реактора.

     Але все-таки майбутнє ядерної енергетики, мабуть, залишиться за реакторами-розмножувачами. Звичайні реактори використовують сповільнені нейтрони, які викликають ланцюгову реакцію в досить рідкісному ізотопі – урані-235, якого в природному урані всього біля одного відсотка. Саме тому доводиться будувати величезні заводи, на яких буквально просівають атоми урану, вибираючи з них атоми лише одного сорту урану-235. Решта урану в звичайних реакторах використовуватися не може. Виникає питання: а чи вистачить цього рідкісного ізотопу урану на скільки-небудь тривалий час або ж людство знов зіткнеться з проблемою браку енергетичних ресурсів ?

           Немає сумніву в  тому, що атомна енергетика зайняла  міцне в енергетичному балансі  людства. Вона безумовно розвиватиметься  і надалі, без відмовлено поставляючи  таку необхідну людям енергію. Проте знадобляться додаткові заходи по забезпеченню надійності атомних електростанцій, їх безаварійної роботи, а учені і інженери зуміють знайти необхідні рішення. 

     Термоядерний  синтез. 

     Безумовним  приємником реакції розпаду стане  реакція синтезу. Зараз Термоядерна реакція, як і колись атомна непідконтрольна людині в промислових масштабах. Та проте у Франції вже будується станція-дослідницький інститут.

     Я́дерний  си́нтез — це процес, під час  якого два атомних ядра об'єднуються, формуючи важче ядро. Зазвичай цей процес супроводжується виділенням енергії. Ядерний синтез є джерелом енергії в зірках та водневій бомбі. 

     Для зближення атомних ядер на відстань, достатню для того, щоб відбулася  ядерна реакція, навіть для найлегшого елементу, водню, потрібна дуже значна кількість енергії. Але, у випадку легких ядер, внаслідок об'єднання двох ядер із утворенням важчого ядра виділяється значно більше енергії, ніж іде на подолання кулонівського відштовхування між ними. Завдяки цьому ядерний синтез — дуже перспективне джерело енергії і є одним із основних напрямків дослідження сучасної науки. 

     Кількість енергії, що виділяється в більшості  ядерних реакцій набагато більша, ніж у хімічних реакціях, тому що енергія зв'язку нуклонів у ядрі значно більша, ніж енергії зв'язку електронів у атомі. Наприклад, енергія іонізації, яка отримується при зв'язуванні електрона з протоном із утворенням атому водню, складає 13.6 електрон-вольт — менше, ніж одну мільйонну від 17 МеВ, що виділяються під час реакції дейтерію із тритієм.