Виробництво електроенергії

Енергетичні ресурси, що використовуються для виробництва електроенергії, можна розділити на дві категорії:

• Невідновлювані
• Відновлювані

Невідновлювані ресурси неможливо поповнити. Ми можемо зробити так, щоб цих запасів вистачило на довше, використовуючи їх з розумом, але коли вони закінчаться, у нас їх більше не буде.

Викопне паливо

Більшість електроенергії, що використовується в Сполучених Штатах, виробляється на електростанціях, які спалюють викопне паливо для нагрівання води і виробництва пари. Пара знаходиться під високим тиском і спрямовується на лопаті турбіни, змушуючи їх обертатися.

Три види викопного палива - це вугілля, нафта та природний газ. Вони відомі як викопне паливо, тому що утворилися в землі із залишків органічних речовин, таких як тварини або рослини, які жили дуже давно.

Вугілля це тверда, чорна, схожа на гірську породу речовина, що складається з вуглецю, водню, кисню, азоту та сірки. Попередник вугілля, який називається торфвикористовується як джерело енергії в багатьох країнах. Вугілля видобувається з-під землі на великих шахтах.

Олія це рідке викопне паливо, яке іноді також називають нафта. Вона знаходиться під землею в пористих породах. Нафтові вишки повинні бурити до покладів глибоко під поверхнею землі, щоб отримати нафту.

Природний газ складається в основному з газу, який називається метан. Метан є легкозаймистим газом і горить дуже чисто. Природний газ зазвичай знаходиться під землею разом з нафтою.

Атомна енергетика

Атомні електростанції використовують тепло від розщеплення атомів для перетворення води на пару, яка обертає турбіни. Ці станції покладаються на урантип металу, який потрібно видобувати з землі та спеціально обробляти. Паливні стрижні що містять уран, розміщуються поруч один з одним у машині, яка називається ядерний реактор. Реактор змушує атоми урану розщеплюватися, і при цьому вони виділяють величезну кількість тепла.

Відновлювані енергетичні ресурси можна поповнювати за короткий проміжок часу, тому вони ніколи не будуть повністю використані. Енергетичні компанії по всій країні все більше і більше використовують відновлювані ресурси для виробництва електроенергії.

• Біомаса
• Геотермальна енергія
• Водень
• Гідроенергетика
• Енергія океану
• Сонячна енергія
• Енергія вітру

Біомаса - це органічні речовини, такі як сільськогосподарські відходи, а також тріска та кора, що залишаються після виробництва пиломатеріалів. Біомасу можна спалювати, щоб нагріти воду і отримати пару, яка обертає турбіну для виробництва електроенергії. Вона також може бути перетворена на газ, який можна спалювати для отримання тієї ж самої енергії.

Біомаса включає в себе енергетичні культури наприклад, деревина, солома та інші культури, що вирощуються переважно для використання в якості палива. Енергетичні культури є відновлюваними, але деякі з них, як, наприклад, дерева, потребують багато часу для вирощування. Фермери можуть вирощувати дерева на частині своїх земель замість пшениці чи інших видів продовольства. Деревину регулярно збирають, розрізають на дрібні тріски і спалюють для отримання тепла або роботи невеликих електростанцій.

Паливом, що виробляється з біомаси, є метан- побічний продукт гниття на сміттєзвалищах. Коли сміття гниє в землі, воно виділяє гази, які можна зібрати і спалити для виробництва тепла або електроенергії.

Водень - це безбарвний газ без запаху. Водень може бути перетворений на електрику за допомогою хімічної реакції в пристрої, який називається паливний елемент. Перетворення водню на електроенергію не призводить до забруднення довкілля - лише вода та тепло.

Якщо водень отримують з відновлюваних ресурсів, таких як звалищний газ, паливні елементи вважаються відновлюваними. Однак, якщо водень надходить з невідновлюваних ресурсів, таких як викопне паливо, паливні елементи вважаються невідновлюваними. Чи використовує паливний елемент відновлюване джерело енергії, залежить від джерела водневого палива.

Сьогодні вже є кілька автомобілів, які працюють на водні. У майбутньому водень буде використовуватися для заправки автомобілів і літаків, а також для забезпечення електроенергією будівель.

Гідроелектростанції використовують силу падаючої води для обертання турбін, які допомагають виробляти електроенергію. Вода, яка зберігається за греблею, випускається і спрямовується спеціальними трубами на лопаті турбін, змушуючи їх обертатися. Більшість гідроенергетичних об'єктів знаходяться в горбистій або гірській місцевості. Найвідомішою гідроелектростанцією в країні є гребля Гувера.

Енергія океану - це різновид гідроенергетики. Океани покривають понад 70 відсотків земної поверхні, що робить їх найбільшими у світі сонячними колекторами. Океан накопичує теплову енергію, яку можна використовувати для виробництва електроенергії за допомогою спеціальних турбогенераторів.

Енергія океанських хвиль і припливів також може бути використана для виробництва електроенергії за допомогою гребель, які пропускають океанську воду через турбіни, або за допомогою буїв, оснащених турбінами, що обертаються, коли вони зміщуються разом з рухом хвиль. Це називається приливною енергією, або енергією хвиль. Перша у світі хвильова електростанція була побудована на шотландському острові Айла. Інші хвильові електростанції розташовані в затоці Мутріку в Іспанії, в порту Яффо в Ізраїлі, в затоці Канеохе поблизу Оаху на Гаваях і в затоці Кобскук на східному узбережжі США поблизу Істбрука в штаті Мен.

Вчені та інженери по всьому світу працюють над системами для використання енергії океану у великих масштабах.

Сонячна енергія виробляється без турбіни чи електромагніту. Спеціальні панелі сонячних елементів, або модулі, можуть вловлювати сонячне світло і перетворювати його безпосередньо в електрику. Ці панелі відомі як фотоелектричнийабо PV. (Фото з грецької означає "світло", а вольтаїчний стосується електроенергії). Електроенергію, яку вони виробляють, можна використовувати одразу, подавати в електромережу для інших або зберігати в акумуляторі, щоб вона була доступною і в похмурі дні.

Вітроенергетика - це відновлювана енергія, яка використовує силу вітру для обертання турбін. Ці турбіни виробляють електроенергію.

Більшість вітрової енергії виробляється на вітроелектростанціях, які являють собою великі групи турбін у постійно вітряних місцях. Дуже велика вітроелектростанція може виробляти достатньо електроенергії для всіх будинків у місті з населенням близько мільйона чоловік. Невеликі вітрогенератори можна використовувати для приватних будинків, підприємств і човнів. Вони можуть використовуватися для перекачування води, або ж електроенергію можна зберігати у великих батареях для використання в інший час.

Піонери електрики

Бенджамін Франклін (1706-1790)

Незважаючи на популярну історію, Бенджамін Франклін, ймовірно, не прив'язував ключ до повітряного змія і не запускав його під час грози. Однак Франклін провів багато експериментів, щоб дізнатися більше про електрику. Одного разу Бен Франклін хотів використати електрику, щоб вбити індичку на різдвяну вечерю. Перевіряючи своє обладнання, він доторкнувся до двох частин одночасно і отримав сильний удар струмом. Все його тіло завібрувало, а руки оніміли до наступного ранку. Йому пощастило, що він не отримав опіків і не був убитий електричним струмом! Франклін вірив, що блискавка - це потік електрики, що відбувається в природі. Він знав про небезпеку і, ймовірно, не хотів ризикувати ураженням електричним струмом, запускаючи повітряного змія під час шторму. У 1752 році експерименти з електрикою привели Бенджаміна Франкліна до винаходу громовідводу, який, будучи розміщеним на даху сараю, церковного шпиля чи іншої споруди, безпечно відводить блискавку в землю.

Майкл Фарадей (1791-1867)

Майкл Фарадей винайшов генератор у 1831 році. До цього часу вся корисна електроенергія постачалася від батарейок. Генератор Фарадея забезпечував джерело струму, яке не залежало від батарей.

Леді Августа Ада Байрон, графиня Лавлейс (1815-1852)

Ада Лавлейс вважається першим у світі комп'ютерним програмістом. Дочка англійського поета лорда Байрона, Лавлейс працювала на математика та винахідника Чарльза Беббіджа. Разом вони розробили так званий "Аналітичний двигун" - механічний комп'ютер, який використовував шестерні та храповики і міг бути запрограмований за допомогою перфокарт. Лавлейс, яка була вправним математиком, створила програмний код, що запускав цю машину, заснований на двійковій системі числення, в якій всі числа представлені у вигляді послідовності нулів та одиниць. Комп'ютерний світ вшанував її у 1970-х роках, коли мова програмування, прийнята Міністерством оборони США, отримала назву Ада.

Александр Ґрем Белл (1847-1922)

Александр Ґрем Белл винайшов спосіб передачі мови електричним шляхом - телефон. Белл хотів удосконалити телеграф, який дозволяв людям передавати код з крапок і тире через електричний дріт. Він та його асистент Томас Ватсон знайшли спосіб перетворювати тони людського голосу на різні електронні струми в дроті та відтворювати їх у вигляді чутної мови через приймач. У 1876 році Белл вимовив перше речення, передане за допомогою цього нового пристрою: "Ватсоне, йди сюди, ти мені потрібен". Телефон був представлений на виставці Centennial Exposition 1876 року у Філадельфії, штат Пенсильванія.

Томас Альва Едісон (1847-1931)

Томас Альва Едісон винайшов фонограф, кінокамеру та понад 1 000 інших речей. Едісон найбільш відомий як винахідник лампи розжарювання у 1879 році. До появи лампи розжарювання світ покладався на масляні лампи та природний газ для освітлення вночі. Лампочка Едісона складалася з карбонізованої бавовняної нитки, розміщеної у вакуумі всередині скляної колби. Струм, що протікав через нитку розжарення, змушував її випромінювати постійне світіння. Вакуум був необхідний для того, щоб нитка не перегоріла.

Ще працюючи над лампочкою, Едісон почав думати про електричну систему, яка б забезпечувала електроенергію з центральної електростанції та доставляла її до будинків і підприємств. Він спроектував першу в країні центральну енергосистему, яка почала працювати в 1882 році і постачала електроенергію постійного струму 85 споживачам на площі в 1 милю в нижньому Манхеттені. До 1902 року, лише через 20 років після початку роботи системи Едісона, лише в Сполучених Штатах налічувалося 3 500 різних електричних систем.

Льюїс Говард Латімер (1848-1928)

Льюїс Говард Латімер був піонером у розробці електричної лампочки. Він був сином колишнього раба і єдиним афроамериканцем у дослідницькій групі видатних вчених Томаса Едісона. Хоча Едісон винайшов лампу розжарювання, саме Латімер розробив і запатентував процес виробництва вугільних ниток всередині лампочки.

Ґренвілл Вудс (1856-1910)

Ґренвілл Вудс мав плідні винахідницькі здібності і зробив геніальний внесок у розвиток громадського транспорту. У 1885 році Вудс запатентував телефонний передавач, який купила компанія Bell Telephone. Потім він заснував у Нью-Йорку компанію Woods Electric Company, яка виробляла і продавала телефонні, телеграфні та електричні прилади. Його найважливішим винаходом стала індукційна телеграфна система 1887 року - метод інформування машиніста про потяги безпосередньо перед ним і позаду нього, що забезпечило безпеку залізничних перевезень. З понад 60 патентів, які зареєстрував Вудс, більшість стосувалися залізничних телеграфів, електричних гальм та електричних залізничних систем.

Нікола Тесла (1856-1943)

Можливо, ви знаєте Tesla як електромобіль високого класу, але Нікола Тесла жив і помер задовго до винайдення автомобіля, який носить його ім'я. Він найбільш відомий тим, що винайшов електричну систему змінного струму (АС), яка домінує сьогодні в усьому світі. Тесла також створив 3-фазну систему передачі електроенергії та "котушку Тесли" - індукційну котушку, яка досі використовується в радіотехніці.

У 1884 році американський інженер сербського походження звернувся до Томаса Едісона з проханням допомогти у фінансуванні та розробці електродвигуна змінного струму та електричної системи. Але Едісон був зацікавлений у просуванні менш ефективної системи постійного струму (DC), тому Тесла звернувся до Джорджа Вестінгауза, який профінансував його асинхронні двигуни та пристрої змінного струму. Вони швидко набули популярності, оскільки не створювали іскор і не потребували постійних магнітів для роботи. Натомість пристрої Тесли використовували більш ефективне магнітне поле, що обертається, - конструкція, яка досі використовується в більшості електродвигунів. Хоча популярні винаходи Тесли принесли йому місце на обкладинці ЖУРНАЛУ "TIME у 1931 році і залишалися популярними протягом тривалого часу, він помер бідною людиною у 1943 році після багатьох років, присвячених проектам, які не отримали належного фінансування.

Електромобілі

Технології електромобілів (EV) значно розвинулися з 1999 року, коли був представлений перший гібридний EV. Сьогодні доступні різноманітні повністю електричні електромобілі та гібридні бензиново-електричні електромобілі, і експерти галузі очікують, що в цьому десятилітті на дорогах з'явиться понад мільйон електромобілів. Електромобілі популярні з багатьох причин:

• Вони допомагають зменшити забруднення.
• Вони коштують дешевше, ніж бензинові автомобілі.
• Вони допомагають зменшити нашу залежність від бензину.

Акумуляторні електромобілі

Акумуляторні електромобілі працюють повністю на електричній енергії. Замість паливного бака акумулятори зберігають електроенергію, яка використовується для роботи автомобіля. Ці батареї можна зарядити, підключивши автомобіль до спеціальної високовольтної зарядної станції або стандартної побутової розетки на 120 або 240 вольт. Залежно від типу зарядного пристрою та напруги, що використовується, заряджання акумулятора займає від 2 до 20 годин. Батареї зберігають електроенергію доти, доки транспортний засіб не почне рухатися.

Перші типи акумуляторних електромобілів включали гольф-кари, скутери та інші транспортні засоби, що використовувалися для коротких поїздок на низьких швидкостях. Завдяки швидкому зростанню галузі в цьому десятилітті, електромобілі на батареях можуть задовольнити потреби як міського, так і шосейного водіння. Найдорожчий електромобіль Tesla може розвивати швидкість до 200 миль/год і проїжджати майже 400 миль на одному заряді. Більш дешеві моделі можуть розвивати швидкість до 90 миль/год і проїжджати 170-259 миль на одному заряді.

Під капотом електромобіль складається з електродвигуна, одного або декількох контролерів та акумуляторів. Контролер регулює кількість електроенергії, яка надходить від батарей до електродвигуна, коли водій натискає на педаль акселератора. Електродвигун перетворює електричну енергію з акумуляторів на механічну, що змушує транспортний засіб рухатися.

Рух електромобіля на батареях по дорозі не спричиняє жодного забруднення. Навіть якщо врахувати забруднення, пов'язане з виробництвом електроенергії на електростанції, ці електромобілі виробляють менше забруднення, ніж автомобілі з бензиновим або дизельним двигуном. Акумуляторні електромобілі також більш ефективні, ніж бензинові або дизельні, якщо порівняти енергію, що використовується для виробництва бензину на нафтопереробному заводі, з виробництвом електроенергії на електростанції.

Коли електромобіль зупиняється в пробці, йому не потрібно використовувати паливо, щоб підтримувати роботу двигуна, як це робить бензиновий двигун. Додаткова ефективність створюється завдяки так званому "рекуперативному гальмуванню". Коли автомобіль сповільнюється, двигун продовжує обертатися, але енергія більше не надходить до коліс. Замість цього енергія повертається до акумуляторів, даючи їм невеликий заряд щоразу, коли водій зупиняється або спускається з гори.

Гібридні електромобілі

Гібридний електромобіль (ГЕ) використовує два або більше джерел енергії. Більшість HEV працюють як на бензиновому двигуні, так і на електродвигуні. За розміром і рівнем комфорту вони схожі на найпопулярніші автомобілі з бензиновим двигуном. Зараз на ринку представлено понад 60 моделей HEV, а Toyota Prius залишається найбільш продаваним HEV з моменту його появи у 2000 році.

Основними компонентами HEV є бензиновий двигун, електродвигун, електродвигун, трансмісія трансмісіяі, в деяких моделях, генератор генератор. Паливний бак зберігає бензин для двигуна, а акумуляторна батарея зберігає електроенергію для двигуна. Батарея заряджається від бензинового двигуна, а також від електродвигуна або генератора під час нормальної роботи. Рекуперативне гальмування потроху заряджає батареї, коли автомобіль сповільнюється, відновлюючи частину енергії.

Гібридні електромобілі з можливістю підзарядки

Інший тип гібридних електромобілів - це плагін-гібриди, або PHEV. Ці транспортні засоби мають дві силові установки - двигун внутрішнього згоряння та акумуляторну батарею. На відміну від звичайних гібридів, таких як Toyota Prius, батарея PHEV може заряджатися або від газового двигуна, або від підключення автомобіля до зовнішнього джерела електроенергії. Деякі PHEV відомі як електромобілі з великим запасом ходу, або EREV, оскільки їхнє вторинне джерело живлення забезпечує достатньо пального, щоб дозволити автомобілю проїхати сотні миль, коли батареї розряджаються.

Усі типи гібридних електромобілів використовують менші та ефективніші бензинові двигуни, ніж звичайні бензинові або дизельні транспортні засоби. Вони також спалюють менше палива, ніж звичайні транспортні засоби, таким чином виробляючи менше забруднюючих речовин і викидаючи менше вуглекислого газу в повітря.

Розумно використовуйте енергію вдома

Сім'ї, які зменшують споживання електроенергії, уникаючи відходів та купуючи енергоефективні прилади, заощаджують гроші та допомагають зберегти природні ресурси, що використовуються для виробництва електроенергії.

Покажіть батькам цей список способів бути енергоефективними та заощаджувати гроші на рахунках за електроенергію щомісяця. Можливо, вам вдасться переконати їх передати зекономлені кошти вам!

Освітлення

• Встановіть компактні світлодіодні лампочки.
• Вимикайте світло, коли воно не використовується.

Опалення/кондиціонування

• Встановіть термостат обігрівача на найнижчу температуру, при якій вам буде комфортно - деякі рекомендують 68°F вдень і прохолодні 55°F вночі.
• Попросіть когось із дорослих стежити за тим, щоб заслінка каміна була закрита, коли ввімкнено опалення або кондиціонер.
• Тримайте термостат кондиціонера на рівні від 76°F до 78°F, щоб залишатися в комфорті та споживати менше енергії.
• Швидко зачиняйте двері, коли входите або виходите з будинку, де ввімкнене опалення чи кондиціонер.
• Нагадуйте дорослим про необхідність щорічного очищення систем опалення та регулярної заміни пічних фільтрів.

Прилади

• За можливості використовуйте мотузку для білизни.
• Зачекайте, поки посудомийна машина заповниться, перш ніж запускати її.
• Періть і сушіть повні завантаження білизни.
• Почистіть котушки на холодильнику.

Приготування їжі

• Під час готування накривайте каструлі кришкою.
• Не відкривайте духовку занадто часто.
• Використовуйте мікрохвильову піч, коли це можливо.

Купання

• Встановіть душову лійку з низьким потоком.
• Приймайте більш короткий душ або напівповні ванни.
• Зменшіть температуру на водонагрівачі.

Транспортування

• Пройдися.
• Використовуйте велосипеди.
• Користуйтеся автобусами, поїздами та автопарками.
• Об'єднуйте доручення, щоб зменшити кількість поїздок.

Розумно використовуйте енергію в школі

Більшість шкіл витрачають на енергію більше грошей, ніж на комп'ютери та підручники разом узяті. Ось як ви можете допомогти своїй школі зменшити енерговитрати.

Світло та комп'ютери

• Виберіть монітор енергоспоживання, щоб переконатися, що світло та комп'ютери вимикаються перед перервою, обідом та після школи.
• Створіть табличку "Заощаджуйте енергію", яку можна повісити біля вимикачів у класі, щоб нагадувати людям про необхідність вимикати світло, коли вони ним не користуються.

Опалення та охолодження

• Переконайтеся, що меблі або книги не закривають вентиляційні отвори у вашому класі.
• Заохочуйте всіх тримати двері та вікна зачиненими, коли працює опалення чи кондиціонер.

Вода

• Вимикайте воду у ванній кімнаті, коли закінчуєте користуватися нею.
• Повідомляйте вчителя або шкільного сторожа про будь-які витоки води, які ви виявили.

Спробуйте це захоплююче заняття:

Дослідіть енергетичні звички вашої школи