Ekologiczne źródła energii

Paliwa naturalne, takie jak węgiel i ropa naftowa, eksploatowane nadal w takim samym tempie jak obecnie wyczerpią się w przyszłym stuleciu. Elektrownie jądrowe, które wydawały się być dobrą alternatywą są dość ryzykowne, jak pokazała katastrofa elektrowni w Czarnobylu (Ukraina) w 1986 r. Ze wszystkich źródeł energii, energia słoneczna jest najbezpieczniejsza.

Energia słoneczna

Słońce, jedna z miliarda gwiazd, jest źródłem energii wszystkich znanych istot żyjących na Ziemi. Energia słoneczna docierająca na Ziemię w ciągu 40 minut pokryłaby zapotrzebowanie całoroczne człowieka

Promieniowanie słoneczne

Około 30% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% energii dociera do powierzchni ziemi.

Wiele pożarów w gorących rejonach Ziemi jest wywołanych przez ogniskowanie promieni słonecznych w porannej rosie. Już 400 lat p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne, skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą, do rozniecania ognia. Chińczycy, 200 lat p.n.e., wykorzystywali zakrzywione zwierciadła do skupiania promieni słonecznych.

W nowoczesnych kuchenkach słonecznych skupiane promienie służą do podgrzewania żywności. Zakrzywiony koncentrator ogniskuje promienie słoneczne na produktach. Niektóre kuchenki, zamiast zakrzywionego zwierciadła, wykorzystują płaskie reflektory, ustawione pod odpowiednim kątem.

Podobna technika jest stosowana w piecach przemysłowych. W Mont Louis, we Francji wielopiętrowa konstrukcja małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje temperaturę do 3000C – właściwą do obróbki wielu metali.

Ogrzewanie domów

Wszystkie domy są ogrzewane przez słońce, ale tylko niektóre są skonstruowane w taki sposób, aby uzyskać jak najwięcej energii cieplnej. Umożliwia to znaczną redukcję zapotrzebowania energii. W takich domach duże okna projektuje się od strony najbardziej nasłonecznionej, a małe od przeciwnej. W niektórych rozwiązaniach stosuje się zasłony izolujące ciepło, które zamykane na noc nie pozwalają na ucieczkę ciepła nagromadzonego w dzień. Takie rozwiązanie jest tzw. systemem pasywnym.

Inne zastosowanie energii słonecznej w domu polega na podgrzewaniu wody. Promienie słoneczne podgrzewają wodę, która przepływa przez płaskie panele tworzące radiatory absorbujące ciepło. Te panele umieszcza się zazwyczaj na dachu domu, pod kątem zapewniającym największy pobór ciepła słonecznego. Zimna woda jest pompowana do paneli i tam podgrzewana przez ciepło absorbowane z promieni słonecznych.

Baterie słoneczne

Baterie słoneczne są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne do zmiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża liczba ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z cienkich warstw półprzewodników, zwykle z krzemu. Czasem wykorzystuje się arszenik galu, ponieważ pozwala na pracę ogniw w wysokich temperaturach. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze. Baterii używa się również w małych kalkulatorach i zegarkach. W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny. Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publicznie automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.

Energia w odległych rejonach

W odległych rejonach baterie słoneczne są używane na co dzień w domu. Energia słoneczna służy do ładowania akumulatorów, co umożliwia korzystanie z energii elektrycznej również w nocy. Ogniwa słoneczne są niezawodne. Raz zamontowane nie wymagają konserwacji przez wiele lat. W Wielkiej Brytanii niektóre nie zamieszkane domy są zasilane energią słoneczną. Także stacje meteorologiczne korzystają z baterii słonecznych.

Ilość energii pochodząca z baterii słonecznej nie zależy od temperatury otoczenia, a od nasłonecznienia. Dlatego też jest możliwe, aby latarnia o mocy 360 kW na lądowisku samolotów pracowała na zamarzniętej Alasce.

Ogniwa słoneczne były wykorzystywane w komunikacji satelitarnej od lat 60. Najnowsza technologia ogniw fotowoltaicznych ma być zastosowana w stacji kosmicznej Freedom, konstruowanej w Stanach Zjednoczonych. Ma być ona wyposażona w osiem skrzydeł fotowoltaicznych, które umożliwiają wytworzenia energii elektrycznej o mocy 75 kW.
Możliwe, że w następnym, dzięki projektorowi amerykańskiego inżyniera dr Petera Glasera będziemy korzystać z energii dostarczanej z przestrzeni kosmicznej. Ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę okołoziemską zestawu 40 satelitarnych elektrowni słonecznych (SPS – Solar Power Satelites), wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych. Wytworzona elektryczność ma być zamieniana na promienie mikrofalowe, transmitowane do odbiorników na Ziemi, gdzie nastąpi znowu zamiana mikrofal w prąd elektryczny. Zdaniem Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej 40 SPS-ów zaspokoi jedną czwartą zapotrzebowania na energię elektryczną Zjednoczonej Europy do 2040 roku.

Niestety, mikrofalowe wiązki energii z satelitarnych elektrowni słonecznych spaliłyby wszystkie napotkane na drodze niemetalowe przedmioty oraz żywe istoty. Wielu naukowców uważa jednak, że w niedalekiej przyszłości będziemy korzystać z energii wytworzonej w przestrzeni okołoziemskiej.

Energia wiatru

Energia wody wielu rzek była od dawna wykorzystana przez człowieka do napędzania turbin elektrycznych. Użytecznymi nośnikami energii są także wiatr, fale morskie i pływy. Z takich źródeł jednak znacznie trudniej uzyskać energię.

Już od VI wieku naszej ery Persowie mełli ziarno, używając młynów wiatrowych, czyli wiatraków. W przeciwieństwie do konstrukcji, które rozpowszechniły się w Europie, perskie wiatraki miały skrzydła poruszające się w płaszczyźnie poziomej na pionowym wale. Dolny koniec wału przytwierdzony był do kamienia młyńskiego, który rozcierał ziarno na mąkę.
Wczesne wiatraki europejskie były wiatrakami obrotowymi, czyli kozłowymi. Ustawienie takiego wiatraka można było zmieniać stosownie do kierunku wiatru. Skrzydła poruszały się w płaszczyźnie niemal pionowej, a konstrukcja wiatraka była osadzona na centralnym słupie. Z tyłu wystawał długi drąg. Gdy zmieniały się kierunek wiatru, młynarz za pomocą tego drąga obracał wiatrak tak, aby znów łopaty skierowane były do wiatru.

W ciągu wielu lat pomysłowi młynarze wymyślili sposoby wykorzystania energii wiatru także do innych celów. Na przykład, dzięki systemowi przemyślnych przekładni, wiatrak podnosił worki z ziarnem. Holendrzy zaczęli używać wiatraków do osuszania terenów nadmorskich. Jeden z ich systemów składał się z wiatraka, który napędzał urządzenie przypominające koło wodne, wypompowujące wodę z nisko położonych terenów. Pomimo wszystkich zalet, wiatraki miały poważne wady. Ich działanie było uzależnione od pogody, więc w dni bezwietrzne i takie, gdy wiatr był bardzo silny wiatraki nie mogły pracować.

Pompy napędzane wiatrem

W niektórych krajach młyny wiatrowe są jeszcze powszechne używane do mielenia zboża na mąkę. Karierę w niektórych regionach robią, napędzane wiatrem, pompy łopatkowe, pompujące wodę ze studni, często bardzo głębokich. Tak dzieje się w Australii i RPA. Wydobytą wodę przechowuje się w zbudowanej obok specjalnej wieży. Urządzenia te również zwie się to naprawdę silniki wiatrowe lub pompy wiatrowe. Typowy silnik wiatrowy tego rodzaju składa się z koła o średnicy około 4 m, z osadzonymi nań około dwudziestoma profilowanymi stalowymi łopatkami. Koło montowane jest w pozycji pionowej, na stalowej wieży o wysokości około 8 m, w ten sposób, że wirnik może obracać się również w płaszczyźnie poziomej, kierując się przodem do wiatru. Do koła przymocowany jest z tyłu, na długim wysięgniku, statecznik, którego zadaniem jest właśnie odpowiednie orientowanie urządzenia względem prądu powietrza. Statecznik jest tak skonstruowany, że przy wietrze wiejącym z bardzo dużą prędkością ustawia koło odwrotnie, aby nie uległo zniszczeniu.

Elektrownie wiatrowe

Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wytworzenie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa. Aby uzyskać 1 MW (megawat) mocy, wirnik takiej turbiny powinien mieć średnicę około 50 metrów. Ponieważ duża konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet gigawata tj. 1000 MW, to jej zastąpienie wymagałoby użycia nawet do 1000 takich generatorów wiatrowych. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe, składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin. Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz. Dlatego też przyszłość elektrowni tego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny są doskonałym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych, gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną.

Energia wodna

Koła i turbiny wodne

Koło wodne, historia którego sięga wstecz do I w. n.e., służyło wpierw do napędzania żaren w młynach. Dopiero około 1000 lat później ludzie zaczęli zaprzęgać wodę do innych zadań, a to przyczyniło się do rozwoju przemysłu właśnie w dolinach rzek, nadających się do energetycznego wykorzystania. Koło wodne napędzały miechy i ciężkie młoty w kuźniach, piły w tartakach i wiele innych urządzeń. Przemysły metalurgiczny, tekstylny i papierniczy we wczesnej fazie rozwoju były nierozerwalnie związane z wodą, aż do czasu wynalezienia maszyny parowej w końcu XVIII w. Dziś ich nowoczesne odpowiedniki w postaci turbin wodnych z powodzeniem napędzają potężne generatory wielkich elektrowni wodnych, produkujących znaczne ilości energii elektrycznej. W niektórych krajach, przykładem Norwegia, większość energii wytwarzana jest właśnie w ten sposób.

Energia pływów

W swym dolnym biegu rzeki są zbyt leniwe, aby budować na nich elektrownie wodne. Alternatywne źródło energii mogą tam stanowić pływy morskie. Siła pływów, podobnie jak w zwykłej elektrowni wodnej, obraca turbiną, połączoną z generatorem. Jednak w niewielu tylko miejscach budowa takiej elektrowni jest opłacalna, gdyż elektrownie te cechują się znikomą rentownością. Jedna z istniejących, położona we Francji nad rzeką Rance, ma moc zaledwie 100 MW, czyli 10 część tego, co duża elektrownia węglowa.

Energia fal

Innym źródłem energii może być falowanie morza. Wielkie fale oceaniczne niosą ze sobą naprawdę znacznie jej ilości, lecz problemem jest jej efektywne pozyskanie. Testuje się obecnie różne rozwiązania, zwykle znajdujące się w fazie eksperymentu. W jednym z eksperymentalnych urządzeń pływak poruszany jest w górę i w dół, w miarę falowania powierzchni wody. Ruch ten napędza pompę, która dostarcza wodę pod ciśnieniem na turbinę, zasilającą generator.

Niedawno na wyspie Islay w Szkocji wybudowano elektrownię wykorzystującą energię fal morskich. Jej moc całkowita wynosi 180 kW. Działa na zasadzie oscylującego słupa wody. W półzanurzona, otwarta u dołu komora wypełniona jest do pewnej wysokości wodą, ponad którą znajduje się powietrze. Gdy fala przechodzi, podnosi się słup wody w komorze, co zmusza znajdujące się nad nim powietrze do przepływania na zewnątrz i do wewnątrz komory. Ten ruch powietrza napędza turbinę, połączoną z generatorem.