В физике существует понятие абсолютно черного тела. Так называется тело, которое поглощает весь падающий на него поток излучения. На самом деле абсолютно черных тел не существует, но все реальные тела (серые тела) могут быть сопоставлены с гипотетическим абсолютно черным телом при помощи так называемого коэффициента черноты (отношение поглощательных способностей сопоставляемого и абсолютно черного тел). Некоторые реальные тела, например сажа, близки по свойствам к абсолютно черному телу.
Различные участки поверхности Земли имеют неодинаковый коэффициент черноты и поэтому нагреваются за счет солнечной радиации до различной температуры. Неравномерный нагрев имеют также и нижние слои атмосферы. В результате давление воздуха на одной и той же высоте неодинаково, имеется горизонтальное распределение давления. Это приводит к перемещению больших масс воздуха, возникает ветер.
Скорость ветра и его направление в большей или меньшей мере не одинаковы. Ветер, имеющий скорость 5—8 м/с, считается умеренным, а больше 14 м/с — сильным, скорость 20—25 м/с — штормом, а свыше 30 м/с — ураганом. В некоторых случаях наблюдаются порывы ветра порядка 100 м/с.
Около 2% поступающей на Землю солнечной радиации превращается в энергию ветра. Ветер — очень большой возобновляемый источник энергии. Его энергию можно использовать почти во всех районах Земли. Трудность, однако, заключается в очень большой рассеянности энергии ветра и в непостоянстве ветра.
Ветроагрегат.
В настоящее время многие специалисты в этой области считают, что использование энергии ветра является делом перспективным. Существует два основных направления: сооружение относительно небольших установок (мощностью до 15 кВт, а в большинстве случаев — меньшей мощности), предназначенных главным образом для подъема и перекачки воды, а также для подзарядки электрических аккумуляторов; разработка и создание более мощных ветродвигателей для производства электроэнергии.
Ветроустановки, предназначенные в первую очередь для отдаленных сельскохозяйственных ферм, выпускаются промышленностью; в настоящее время в эксплуатации их насчитывается свыше 10 тыс. На рисунке показана одна из них. Работа по созданию мощных ветроэнергетических установок для производства электрической энергии, проводимая в СССР, США, Франции, ФРГ и некоторых других странах, находится еще на стадии опытов.
К возобновляемым источникам энергии относится также энергия морских приливов и волн. Морские приливы и отливы представляют собой, как известно, периодические колебания уровня моря, вызываемые силами притяжения Луны (главным образом) и Солнца.
Возникновение морских приливов и отливов.
Упрощенная схема ПЭС.
В соответствии с теорией И. Ньютона (который для упрощения допускал, что вся поверхность Земли покрыта водой) под действием сил притяжения Луны поверхность гидросферы превращается из сферической в эллипсоидальную с большой осью, направленной на Луну (см. рис.). За счет вращения Земли вокруг своей оси приливы имеют периодический характер — за сутки 2 раза происходит прилив и 2 раза отлив. Максимальные колебания уровня моря должны достигать, по И. Ньютону, всего 1 м.
На самом же деле вследствие того, что океан покрывает не всю Землю, а очертания береговой линии имеют часто причудливый характер, величина и характер приливов зависят не только от взаимного расположения Земли, Луны и Солнца, но и от географической широты, глубины моря и береговой линии. В некоторых местах у берегов изменение уровня моря достигает полутора десятков метров и даже более.
Например, в некоторых пунктах береговой линии Ла-Манша наибольшая величина прилива составляет 15 м, в Пенжинской губе Охотского моря — 13 м, в некоторых точках побережья Белого моря — до 10 м, а в некоторых местах атлантического побережья Канады — даже до 18 м.
До настоящего времени построены всего лишь две относительно крупные приливные электростанции (ПЭС): одна из них — в 1966 г. во Франции, на реке Ранс, мощностью 240 тыс. кВт и вторая — Кислогубская ПЭС — в 1968 г. в Советском Союзе, на побережье Баренцева моря, близ г. Мурманска, мощностью 800 кВт.
Устройство ПЭС в принципе простое (см. рис.). Прежде всего выбирается подходящее место для строительства электростанции с возможно большими приливами. На рисунке высота h представляет собой разность уровней моря во время прилива и отлива. Сооружается плотина, и образуется бассейн. Агрегат желательно иметь «обратимым», чтобы он мог работать как гидротурбогенератор при протекании воды в обе стороны, и при приливе, и при отливе (на рисунке положение, соответствующее отливу). Не трудно догадаться, что гидротурбогенератору практически никогда не приходится работать при максимальном напоре.
Схема воздушного двигателя, использующего энергию морских волн.
Общая мощность приливов всех морей и океанов Земли оценивается в 3 млрд. кВт. Это большая цифра. Однако перспектива сколько-нибудь широкого строительства ПЭС, по-нашему мнению, является весьма сомнительной. Дело в том, что общее число пунктов, в которых сооружение ПЭС более или менее экономически оправдано, по-видимому, не превышает 30, а их суммарная мощность будет не выше 100 млн. кВт. Кроме того, расчетное число часов работы в год на номинальной мощности для ПЭС мало, а стоимость их сооружения значительно выше, чем ГЭС.
Очень кратко остановимся еще на одном возобновляемом источнике энергии — морских волнах. Морские волны порождаются ветром, их энергия определяется состоянием поверхности моря. Среднегодовая мощность морских волн довольно велика, она измеряется в большинстве случаев десятками киловатт на 1 м длины фронта волн, т. е. на 1 м направления, перпендикулярного движению волны. Общепринятой в настоящее время является точка зрения, что энергию волн целесообразнее использовать в открытом море, а не у берега (не энергию прибоя), так как в последнем случае она снижается вследствие трения и обратной, в отношении движения волн, циркуляции воды.
Предлагаемые способы сводятся в основном к тому, чтобы использовать разность уровней воды на гребне волны и в промежутке между волнами. Для этого можно, например, поместить на поверхности моря достаточно большую, практически не колеблющуюся вместе с волнами платформу (необходимо, чтобы линейные размеры платформы существенно превосходили длину волн), имеющую форму перевернутого, открытого снизу ящика (см. рис.). Платформа разделена на открытые снизу, заполненные воздухом секции, играющие роль цилиндров воздушного двигателя. Волны, проходя под платформой, сжимают поочередно находящийся в секциях воздух. Когда данная секция находится над гребнем волны, объем находящегося в ней воздуха уменьшается, воздух сжимается, его давление растет. Когда же секция находится над междуволновой впадиной, давление воздуха снижается. Волна играет роль поршня. Следовательно, в секциях поочередно, по мере прохождения под ними волн, давление воздуха будет то больше, то меньше. Если теперь дать возможность воздуху перетекать из секции с большим давлением в секцию с меньшим давлением (направление перетекания воздуха будет, конечно, периодически изменяться в соответствии с изменением давления воздуха в секциях), а на пути воздушного потока установить соединенную с электрическим генератором воздушную турбинку, то это устройство будет служить для преобразования энергии морских волн в электрическую энергию.
Преобразование энергии в МГД-генераторе.
Конечно, при штиле это устройство работать не будет. Устройства, принцип работы которых подобен описанному, применяются в Японии для питания электроэнергией плавающих буев.
Существуют также устройства, в которых преобразование энергии морских волн в электрическую энергию производится с помощью гидравлических турбин. Но все это только первые шаги.
