Механическая энергия вода ветер

Энергия движущейся воды и ветра. Гидравлические и ветряные двигатели

Всякое тело, поднятое над Землёй, обладает потенциальной энергией. Это в равной степени относится и к воде. Например, вода объёмом 1 м 3 на высоте 50 м обладает потенциальной энергией:

При падении воды с этой высоты совершится работа А = 500 кДж.

Но в природе сравнительно редко встречаются большие водопады. Чаще всего русла рек имеют небольшой уклон. В этих случаях для создания давления (напора), необходимого для работы гидравлических двигателей, приходится поднимать уровень воды в реке искусственно, при помощи плотин. За счёт энергии поднятой воды гидравлические двигатели могут совершать механическую работу.

Один из простейших и древнейших двигателей — водяное колесо. Наиболее совершенные гидравлические двигатели — водяные турбины. В таких турбинах вода отдаёт энергию колесу, приводя в движение лопасти турбины. Рабочее колесо турбины соединено с валом электрического генератора, дающего электрический ток.

Ветряные двигатели используют энергию движущегося воздуха — ветра. Энергию ветра иногда называют энергией «голубого угля».

Ветер представляет собой источник дешёвой энергии, но этот источник энергии обладает большим непостоянством, — в этом его неудобство.

Ветряные двигатели известны с древнейших времён. Современный довольно мощный ветряной двигатель изображён на рисунке 197. Движущиеся массы воздуха оказывают давление на наклонные плоскости крыльев ветряных двигателей и приводят их в движение. Вращательное движение крыльев при помощи системы передач передаётся механизмам, выполняющим какую-либо работу.

Экономически целесообразно использовать ветродвигательные установки там, где ветры дуют часто и сильно. Например, в Поволжье, на Алтае. Удобно их использовать и в отдалённых районах, куда не поступает энергия от электростанций, куда трудно подвозить топливо, например в дальних или высокогорных экспедициях. Они, как и гидравлические двигатели, имеют преимущества перед двигателями, в которых источником энергии служит топливо или радиоактивное вещество. Во-первых, водяные и воздушные двигатели, после того как они построены, уже не требуют затрат на топливо. Энергия, используемая в них,— энергия текущей воды и ветра — поставляется самой природой, возобновляется.

Во-вторых, работа этих двигателей не сопровождается выделением вредных отходов: газов, образующихся при сгорании топлива или радиоактивных отходов, т. е. в водяных и ветряных двигателях используются экологически чистые источники энергии. В некоторых местах применяют ещё один вид экологически чистых двигателей, использующих энергию приливов и отливов воды в морях и океанах, причиной которых является сила всемирного тяготения.

Источник

Энергия воды

Людям повезло, что на нашей планете находятся достаточно большие залежи полезных ископаемых, способных стать источниками энергии. Но запасы эти не безграничны и постепенно истощаются. Очевидно, что когда-то месторождения природного газа, угля и нефти могут иссякнуть.

Поэтому к самым значительным изобретениям в области энергетики относятся те, которые связаны с открытием новых источников энергии, позволяющих экономить запасы природного сырья. За это их и называют альтернативными источниками энергии. В наши дни такими источниками могут послужить как известные ранее — энергия солнца, текущей воды, ветра, приливов и отливов, подземного тепла (геотермальная энергия), так и открытые сравнительно недавно — энергия плазмы, химических процессов, атома.

Использование энергии движущейся воды — древнейшее открытие

Трудно точно сказать, когда люди научились использовать энергию движущейся воды. Считается, что более 2 тыс. лет вода была фактически единственным источником постоянной энергии вплоть до изобретения в XII в. ветряных мельниц. 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. Так, например, существует исторический документ, который утверждает, что на реке Сене (Франция) в 1682 г. была возведена крупнейшая по тем временам гидроустановка. Она состояла из 13 колес диаметром по 8 м и обеспечивала работу более 200 насосов, которые приводили в действие фонтаны в дворцовых парках.

Как работает водяная мельница

Несмотря на то, что эффективность древних гидроустановок была низкой, она все равно была несопоставимо 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 является водяная мельница. Водяное колесо в ней насажено на вал жернова. Вода вращает колесо — вращается и жернов, мелет зерно.

По мере развития технологии область применения водяных колес расширилась: их стали использовать не только для помола зерна, но и для приведения в действие станков или насосов. До изобретения парового двигателя число гидроустановок неуклонно росло, но затем наступило затишье. Однако в начале XX в. начался период бурного строительства гидростанций, но уже для выработки с помощью движущейся воды электроэнергии.

Эволюция водяного колеса

Главной деталью древней гидроустановки являлось водяное колесо. Струя воды увлекала за собой лопасти колеса. Оно могло быть расположено как вертикально, так и горизонтально. Водяные колеса, вращающиеся только за счет силы, создаваемой потоком воды, получили название подливных.

В результате множества технических усовершенствований в Средние века появились более эффективные верхненаливные колеса, которые вращались за счет действия веса падающей на них воды. Диаметр таких колес мог достигать 10 м, но даже при этом КПД водяного двигателя оставался низким. Вращаясь со скоростью чуть более 10 об/мин, колеса использовали менее двух третей энергии воды, и их мощность редко превышала 10 кВт.

Струйные и радиальные турбины

В современных гидроустановках водяное колесо заменено более скоростной водяной турбиной. За почти двухсотлетнюю историю эксплуатации было изобретено множество подобных устройств, имевших различные конструкции и принципы действия. Наиболее эффективными оказались так называемые струйные и радиальные турбины. По принципу действия струйные турбины схожи с верхненаливными колесами — струя воды под сильным напором ударяла в лопасти турбины и заставляла 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. В XX в. такие турбины получили широкое распространение в связи с развитием гидроэлектростанций.

Первую гидротурбину подобной конструкции, которая имеет практическое применение, создал французский инженер Бенуа Фурнейрон (1802—1867). В 1832 г. он получил патент на свое изобретение.

В турбине Фурнейрона вода подается в спиральный кожух, по форме напоминающий раковину улитки. Поток воды из кожуха поступает на вогнутые лопатки ротора, расположенного в центре «улитки», и вращает его. Ротором в такой конструкции является рабочее колесо, соединенное с валом турбины. Это колесо и является рабочим органом турбины, преобразующим энергию потока в механическую. Кстати, турбины Фурнейрона были установлены на первой в мире крупной гидроэлектростанции на Ниагарском водопаде в Канаде.

Энергия приливов и отливов

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

Существуют также такие гидростанции, на которых во время прилива вода перетекает в закрытый бассейн через шлюзы в дамбе или плотине. Затем шлюзы закрывают, уровень воды в море падает, а задержанная вода, вытекая из бассейна, вращает водяные колеса или гидротурбины.

Это интересно!

Энергию приливов впервые в заметных 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.

Самая первая и крупнейшая приливно-отливная станция «Ля Ране» была построена в 1966 г. в устье реки Ране (Франция). Протяженность плотины станции составляет 800 м. Благодаря тому, что перепад высот прилива и отлива в этом месте составляет от 12 до 18 м, мощность «Ля Ране» доходит до 240 МВт.

Источник

Использование энергии движущейся воды и ветра

Вода может обладать как кинетической, так и потенциальной энергией. Поднимая уровень воды в реке с помощью плотины, мы увеличиваем ее потенциальную энергию. Например, высота Красноярской ГЭС на Енисее 124 м. На такой высоте даже 1 м3 воды обладает потенциальной энергией, превышающей миллион джоулей!

При падении воды ее потенциальная энергия переходит в кинетическую. Кинетическую энергию движущейся воды используют для приведения в движение лопастей водяной турбины. Эта турбина заставляет вращаться вал электрического генератора, вырабатывающего электрический ток.

Кинетической энергией обладает и движущийся воздух — ветер. Его энергия используется в ветряных двигателях (рис. 29). Движущийся воздух оказывает давление на крылья или лопасти воздушного винта (ветроколеса) и приводит их в движение. Вращательное движение крыльев передается механизмам, выполняющим ту или иную работу. Это может быть добыча воды на горных пастбищах и в пустынях, подъем воды в водонапорные башни, получение электрической энергии и т. д. В средние века широкое распространение имели ветряные мельницы.

Ветер не всегда дует с одной стороны. Когда его направление меняется, ветроколесо поворачивается. Это обеспечивается хвостовой пластиной, называемой флюгером. В современных ветряных двигателях удается регулировать даже частоту вращения винта. Скорость ветра, как известно, непостоянна. Чтобы иметь возможность учитывать ее изменения, лопасти ветроколеса делают поворотными. Когда ветер усиливается, лопасти поворачиваются к нему почти ребром, когда ослабевает — всей плоскостью.

В то время как плотины ГЭС создают на реках искусственные моря, нарушая природное равновесие (изменяется микроклимат прибрежных территорий, затрудняется миграция рыбы, затопляются берега реки перед плотиной и др ), ветроэнергетические станции гармонически вписываются в окружающую среду.

В отличие от тепловых и атомных электростанций ветровые станции, после того как они построены, уже не требуют затрат топлива. Энергия ветра, используемая в них, поставляется самой природой (возобновляется). Кроме того, работа ветряных двигателей не сопровождается выделением вредных отходов (таких, как газы, образующиеся при сгорании топлива, или радиоактивные вещества). Поэтому ветряные двигатели являются экологически чистыми источниками энергии.

Экологически чистыми являются и приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов воды в морях и океанах. Несколько таких станций уже действует в нашей стране. Самая мощная из них — Мезенская ПЭС, расположенная на побережье Белого моря. Высота ее плотины б м, длина 93 м. На ней установлено 80 гидротурбин. Мощность этой станции 15 200 МВт.

1. Где применяется энергия движущейся воды? 2. Какая энергия используется в ветряных двигателях? 3. В чем заключается преимущество ветровых станций по сравнению с ГЭС, ТЭС и АЭС? 4. Что такое ПЭС?

Источник

Энергия воды и ветра

Вы будете перенаправлены на Автор24

Энергия воды

Человек с самых древних времен, помимо сжигания органического топлива, использовал энергию воды и ветра. Такая энергия, преобразованная в механическую, использовалась для работы разных приспособлений и устройств, например:

• водяных колес,
• парусных судов,
• водяных и ветряных мельниц и т.д.

Источником кинетической энергии воды и ветра является солнечная энергия. Течение рек и движение воздушных масс тоже вызвано воздействием Солнца. То сеть энергия воды и ветра является трансформированной энергией.

На современном этапе развития человечества кинетическая энергия падающей и текущей воды применяется для производства электрической энергии. На конец ХХ века 21% вырабатываемого в мире электричества приходилось на долю гидроэнергетики. В России на 1997 год 19% производства электроэнергии приходилось на долю гидроэлектростанций. В Норвегии производство электроэнергии осуществляется полностью гидроэнергетикой.

Энергия воды – гидроэнергия – это возобновимый природный ресурс, очевидным плюсом которого является то, что он не загрязняет окружающую среду. Однако, наряду с положительными сторонами, гидроэнергетика имеет и отрицательные.

К преимуществам гидроэнергетики относится то, что многие страны располагают большим числом створов для гидроэлектростанций. Коэффициент полезного действия гидроэлектростанций очень высокий, он составляет от 85 до 95%. К тому же, гидроэлектростанции функционируют на полной мощности 95% времени. Для сравнения, ТЭС работают 65% времени, АЭС – 55%, они чаще закрываются на текущее обслуживание и ремонт. Гидроэлектростанции не загрязняют окружающую среду и атмосферу. Срок эксплуатации гидроэлектростанций гораздо больше, чем у теплоэлектростанций и атомных электростанций. К тому же, ГЭС обеспечивают достаточно низкую стоимость производства и обслуживания.

Готовые работы на аналогичную тему

Недостатком гидроэнергетики является то, что ресурсы подавляющей части промышленно развитых стран практически исчерпаны, а повышение выработки гидроэлектроэнергии осуществляется за счет мелких гидроэлектростанций. К тому же, транспортировка электроэнергии на большие расстояния приведет к ее удорожанию и потерям. Еще одним недостатком гидроэнергетики является то, при что строительстве ГЭС на равнинных реках с медленным течением необходимо возведение плотин и сооружения больших водохранилищ, а это требует больших вложений капитала. Водохранилища и плотины обеспечивают возможность контроля за паводками, а также позволяют регулировать их сток, их сооружение влечет за собой ряд проблем.

В последствии, сооружения больших плотин и водохранилищ происходит затопление обширных территорий, в результате чего наиболее плодородные земли, находящиеся выше плотины, изымаются из сельскохозяйственного оборота. А отсутствие паводков приводит к снижению плодородия земель, находящихся ниже плотины. К тому же, в результате этого разрушаются места обитания диких животных. Исторически сложилось, что берега рек являются наиболее заселенными территориями. Сооружение водохранилищ приводит к переселению большого количества людей и перемещению, по возможности, культурных памятников.

При строительстве плотин перекрываются естественные пути миграции многих видов организмов.

Оставшиеся на дне водохранилища органические вещества способствуют эвтрофизации воды, обогащая ее биогенами. Влияние на климат территорий, прилегающих к водохранилищу, оказывает испарение воды с большой площади поверхности. Еще одной проблемой сооружения водохранилищ является опасность провоцирования сейсмических явлений в результате концентрации больших масс воды на поверхности земли. В результате регулирования режима рек сокращается численность одних видов живых организмов и популяционному взрыву других. Например, прекращение разливов Нила в результате сооружения Асуанской плотины вызвало рост популяции улиток, которые заражают людей шистосоматозом.

Энергия ветра

Так же, как энергия воды, энергия ветра является трансформированной солнечной энергией. Использование человечеством энергии ветра происходит с незапамятных времен. До 1930 – х годов во многих промышленно развитых странах использовались ветряные мельницы, которые были вытеснены лишь к 1940 годам. Энергетические кризы 1970-1980-х годов использование энергии ветра вновь стало популярным. Однако, в отличие от раннего времени, энергия ветра на современном этапе преобразуется не в механическую, а в электрическую.

Начиная с 1970-х годов в большинстве стран начали проектировать и вводить в эксплуатацию ветровые турбины самых разных размеров, от небольших 17-тиметровых лопастей до гигантских, имеющих размах лопастей 100 метров. Удвоение длины лопастей приводит к увеличению выхода энергии в 4 раза. Установки, имеющие размах лопастей 100 м имеют мощность до 2,5 МВт. Однако, слишком большие нагрузки на лопасти приводят к быстрому выходу из строя таких установок.

Использование средних и малых ветровых турбин является наиболее эффективным, так как они меньше подвергаются поломкам и перегрузкам, а также вырабатывают большее количество энергии при слабых ветрах, чем большие турбины.

Преимуществами использования энергии ветра для производства электричества являются следующие. Ветер является неисчерпаемым природным ресурсом. К тому же, в большей части регионов мира ветры дуют практически постоянно, поэтому использование энергии ветра является достаточно рентабельным.

Сооружение ветряных станций не требует больших вложений средств. Например, стоимость строительства ветровых установок составляет 1, 25 долл. а 1 Вт, для АЭС и ТЭС – 3 и 5 долл. На строительство ветростанций требуется от трех до шести месяцев. Коэффициент полезного действия ветровых установок достаточно высок, они функционируют до 98 % времени, когда дует ветер. К тому же, они не загрязняют окружающую среду, а территории, на которых располагаются ветровые станции, могут быть использованы для других целей.

Недостатки при использовании энергии ветра не столь существенны. К ним относится то, что такие установки являются рентабельными только в районах с постоянными ветрами. Большие турбины достаточно шумны и могут создавать помехи для телевидения. Кроме того, они могут быть источником инфразвукового шума, который неблагоприятен для человека и животных.

Источник