Как получают электричество используя силу воды?

Электричество из лужи, или Как получить энергию из воды

Как поется в одной песне, «радость надо промочить, горе надо утопить. В каждом деле без воды – и ни туды, и ни сюды». Несмотря на всю шутливость песни, с этим утверждением сложно спорить.

Однако именно человек пошел дальше всех, ведь людям вода нужна не только для поддержания жизни, приготовления пищи и гигиены, но и для многого другого. Воду мы используем и в быту, и на производстве. И вот теперь человечество всерьез задумалось о том, чтобы добывать из воды энергию!

Конечно, человек давно уже умеет добывать энергию с помощью воды, для чего служит огромное количество гидроэлектростанций, построенных по всему миру. Однако можно ли добывать энергию прямо из воды?

Невозможное возможно?

В принципе, современная физика к подобному относится с изрядным скепсисом. Ведь, в соответствии с фундаментальными физическими законами, нет способа извлекать химическую энергию из воды. У воды отрицательная энтальпия образования, следовательно, для разделения ее на элементы требуется затратить энергию. Не существует соединений кислорода и водорода с большей негативной энтальпией образования, за счет которой мог бы быть получен избыток энергии. Поэтому многие изобретатели, которые заявляли, что научились добывать энергию непосредственно из воды, получали клеймо мошенников.

Однако изобретателей это не останавливает, и раз за разом ученые пытаются добиться невозможного. Вот и опять не так давно была опубликована информация о том, что ученые разработали технологию, благодаря которой из воды стало возможно получать экологически чистую энергию. Якобы этого добился профессор Массачусетского технологического института Дэниэл Носер.

Прототип получил название Sun Catalytix. Для извлечения водорода из воды устройство использует солнечную энергию. Специальный солнечный элемент помещается в сосуд с водой. При попадании на него света образуются пузырьки водорода. Процесс получения дешевой энергии из воды полностью обратим. При помощи солнечного света происходит разложение воды на водород и кислород. Получаемый кислород впоследствии используется при горении водорода. Конечным продуктом горения снова является вода. Получается такой себе «круговорот воды в природе» в пределах энергетической установки. По сути, солнечная энергия преобразуется в удобную для использования форму посредством воды.

Разработчики уверены, что их изобретение сможет применяться не только для обеспечения энергией отдельных домов и учреждений, но даже в транспортных средствах. Их уверенность была подкреплена грантом в размере 4 млн долл. от Агентства исследований в области энергетики и индийского машиностроительного гиганта Tata. Была даже создана «Sun Catalytix Corporation».

По словам разработчиков, их технология обеспечит источниками бесплатной энергии как жилые дома, так и другие объекты в странах третьего мира. Сюда включаются и транспортные решения, и промышленные предприятия и т. д.

Единственное, что смущает в этой «новости» – датирована она 2011 г., а Google даже утверждает, что «по их данным, компания Sun Catalytix Corporation закрыта навсегда».

Топливо из воды

Так что же получается? Неужели физика права, и вода не сможет нам помочь в деле производства энергии? Возможно, это и так, но из воды можно получить топливо. Например, водород. Сейчас водород получают, главным образом, из природного газа методом каталитической конверсии с водяным паром. Пока это самый дешевый способ, но в конечном итоге такой путь ведет в тупик, ведь запасы газа рано или поздно тоже закончатся. Неиссякаемым источником водорода может служить вода. Электролиз воды технически осуществить довольно просто, но этот процесс требует значительных энергозатрат. Технология будет экономически выгодной только в том случае, если использовать дешевую электроэнергию, получаемую желательно из возобновляемых источников, – за счет энергии воды, ветра, солнца.

Еще в 1935 г. Чарльз Гаррет продемонстрировал «в течение нескольких минут» работу «водяного автомобиля». Как можно увидеть из патента Гаррета, оформленного в том же году, для генерации водорода применялся электролиз. Повторить успех Гаррета пытались и другие изобретатели. Конечно, в этом деле тоже не все так просто. И многие изобретатели, заявлявшие, что добились в вопросе получения топлива из воды существенного прогресса, также оказались мошенниками.

Например, в 2002 г. Genesis World Energy анонсировала готовое к продвижению на рынок устройство, которое извлекало бы энергию из воды путем ее разложения на водород и кислород. Увы, в 2006 г. Патрик Келли, собственник GWE, был приговорен в Нью-Джерси к пяти годам тюрьмы за кражу и выплате возмещений в размере 400 тыс. долл.

Другой изобретатель, Дэниэл Дингел, заявлял, что разработал технологию, позволяющую использовать воду в качестве топлива. В 2000 г. Дингел стал бизнес-партнером компании Formosa Plastics Group с целью дальнейшего развития технологии. Но в 2008-м компания подала на изобретателя иск за мошенничество, и 82‑летний Дингел был приговорен к 20 годам тюрьмы.

В том же 2008 г. СМИ Шри-Ланки сообщили о некоем гражданине этой страны по имени Тушара Приямал Эдиризинге, который утверждал, что проехал около 300 км на «водяном автомобиле», потратив 3 литра воды. Тушара продемонстрировал свою технологию премьер-министру Ратнасири Викреманаяке, который пообещал всемерную правительственную поддержку его усилий по продвижению водяного автомобиля на рынок Шри-Ланки. Однако несколько месяцев спустя Тушара был арестован по обвинению в мошенничестве.

Шанс все же есть

Вместе с тем, ошибочно думать, что все, кто занимается проблемой получения топлива из воды, – мошенники. Например, авторитетный ученый Джеффри Хьюитт даже стал лауреатом премии «Глобальная энергия» в 2007 г. за идею производства топлива на основе энергии воды. К сожалению, сам ученый считает, что подобные методы добычи топлива еще долго останутся недоступными для будничного использования в связи с их высокой стоимостью. По его мнению, стоимость такой энергии безумно велика, и время, когда экологичные виды топлива можно будет использовать в повседневной жизни, настанет еще не скоро. Так что пока энергия из воды – не конкурент традиционной энергетики. Однако ученый уверен, что эту отрасль энергетики необходимо активно развивать, так как применение, например, водородного сырья может повысить коэффициент полезного действия электростанций до 85 % с текущего уровня в 50 %. И в будущем новое горючее способно заменить все существующие ныне ресурсы.

Так что ученые не зря бьются над этой проблемой. Возможно, в скором времени это принесет свои плоды. Например, в марте этого года пришло сообщение, что в процессе лабораторных исследований ученые из Калифорнийского университета научились создавать топливо из воды. Над созданием альтернативного вида топлива американские специалисты начали работу еще два года назад. На протяжении этого времени ученые обнаружили, что при правильном расщеплении молекул воды получается горючее, которое в будущем способно заменить все существующие ныне ресурсы. Полученный результат не до конца удовлетворил ученых, поэтому исследовательская работа еще продолжается.

Новый метод, который разработали специалисты, способен расщеплять воду на несколько молекул. При правильном синтезе водорода возникают процессы, которые присущи топливу. Однако существует основная проблема, решением которой занимаются ученые. Дело в том, что расщепленные молекулы подвергаются стремительному разрушению, в результате чего синтезировать все элементы не представляется возможным.

На сегодняшний день ученые работают над созданием метода, который бы позволил использовать все полученные элементы. Конечно, это вновь может оказаться уткой, но возможно что и нет. И если результаты научной работы окажутся положительными, то человечество получит новый альтернативный вид топлива, ресурсы которого будут неограниченными.

Вода и электрический ток

Чтобы вещество смогло проводить электрический ток, в нем должны присутствовать заряженные частицы, способные свободно перемещаться через весь его объем под действием приложенного электрического поля. В металлических проводниках, например, такими заряженными частицами выступают свободные электроны, а в электролитах — положительно и отрицательно заряженные ионы.

Диэлектрики вовсе не проводят постоянный электрический ток, поскольку заряженные частицы в их структуре хотя и есть, однако они связаны друг с другом, и не могут свободно перемещаться, образуя ток.

Но переменный ток пропускают даже диэлектрики, это называется током смещения, например конденсатор в цепи переменного тока на определенной частоте будет проводить ток так, словно является проводником.

Обычная неочищенная вода

Что касается обычной воды (речной, водопроводной, особенно — морской и т. д.), то в ней всегда присутствуют растворенные минеральные вещества, которые под действием приложенного электрического поля распадаются на ионы, способные двигаться как в электролите.

По этой причине обычная неочищенная вода проводит ток, ведя себя подобно слабому электролиту. Если через такую воду попытаться пропустить ток, то в течение небольшого времени он будет через нее идти, хотя и слабо.

Теоретически идеально чистая вода

Теоретически, если воду полностью очистить от примесей, то есть удалить из ее объема абсолютно все вещества, включая соли, газы, остатки кислот, то она станет диэлектриком, и будет вести себя как изолятор.

В ней не будет ионов, способных двигаться под действием электрического поля и образовывать ток, а сами молекулы воды — электрически нейтральны. Такую воду можно было бы использовать, например, в качестве диэлектрика между пластинами конденсатора.

Реальная дистиллированная вода

Но в реальности даже дистиллированная вода (вода, очищенная путем испарения с последующей конденсацией пара) не бывает абсолютно чистой.

Есть российский ГОСТ 6709-72, определяющий массовую концентрацию остатка примесей в такой дистиллированной воде — не более 5 мг на литр, и минимальное удельное сопротивление не менее 2 кОм*м.

То есть куб дистиллированной воды со стороной длиной в 1 метр, с приложенными к нему по краям электродами, будет иметь сопротивление минимум 2 кОм. А если представить разлитую по полу дистиллированную воду, скажем, в объеме одного стакана (200 мл), то ее сопротивление в лучшем случае окажется 200 кОм. Можно сказать, что это практически — диэлектрик.

Нет смысла пытаться использовать такую воду как проводник постоянного тока. С этой точки зрения дистиллированная вода не проводит электрический ток. Ее обычно используют для коррекции плотности электролитов.

Почему стоит опасаться контакта любой воды с электричеством

Однако люди не зря боятся контакта любой воды с электричеством, особенно — с переменным напряжением из розетки. Даже сетевое напряжение с провода, упавшего в лужу воды, на которую может случайно наступить человек, способно вызвать миллиамперный переменный ток, которого будет достаточно для причинения организму вреда.

Человеческое тело и фаза из розетки, соединенные через лужу разлитой воды, образуют цепь с реактивными элементами, и если человек в такой ситуации случайно коснется заземленного предмета, то его ударит током. Вот почему необходимо избегать контакта электричества с водой. Как вы понимаете, с дистиллированной водой риск причинения вреда меньше, но он все равно остается. Поэтому лучше избегать попадания любой воды на электрические приборы.

Добыча электроэнергии гидроэлектростанциями

Добыча электроэнергии гидроэнергетикой происходит с использованием энергии движущейся воды. Дожди, тающий снег обычно с холмов и гор создают ручьи и реки, которые в конечном итоге текут в океан. Энергия этой движущейся воды может быть существенной (по рафтингу известно).

Эта энергия используется на протяжении веков. Еще древние греки использовали колеса воды, чтобы размолоть пшеницу в муку. Помещенное в реке, колесо под воздействием воды поворачивается. Кинетическая энергия реки вращает колесо и преобразуется в механическую энергию, на которой работает мельница.

Развитие гидроэнергетики

В конце XIX века гидроэнергетика стала источником для добычи электроэнергии. Первая ГЭС была построена в Ниагара-Фолс в 1879 году. В 1881 году уличные фонари в городе Ниагара-Фолс были запитаны энергией гидроэнергетики. В 1882 году первая гидроэлектростанция (ГЭС) в мире начала действовать в Соединенных Штатах в Эпплтон, Висконсин. На самом деле ГЭС и угольные электростанции добычу электроэнергии производят аналогичным образом. В обоих случаях используется для включения пропеллер, называемый турбиной, которая затем поворачивает через вал и вращает электрический генератор, который производит электричество. Угольные электростанции используют пар для вращения турбинных лопаток, а гидроэлектростанции используют падающую воду – результаты совпадают.

Во всем мире источник энергии гидроэлектростанции производят около 24 процентов электроэнергии в мире обеспечивая более 1 миллиарда человек энергией. ГЭС в мире имеет выход в общей сложности 675 000 мегаватт, энергетический эквивалент 3,6 миллиарда баррелей нефти, согласно мировой лаборатории возобновляемых источников энергии.

Как получается электричество из воды

Электричество из воды гидроэлектростанции получают благодаря воде. Типичная ГЭС представляет собой систему с трех частей:

• электростанции, где производится электричество;
• плотина, которая может быть открыта или закрыта для управления потоком воды;
• водохранилище, где вода может храниться.

Вода за плотиной протекает через плотину и толкает винт в турбине, вращая его. Турбина вращает генератор для добычи электроэнергии. Количество добытой электроэнергии, которая может быть сгенерирована зависит сколько воды движется через систему. Электричество может передаваться на заводы и предприятия через общую энергосистему.

ГЭС обеспечивает почти пятую часть электроэнергии в мире. Китай, Канада, Бразилия, Соединенные Штаты Америки и Россия пять крупнейших производителей гидроэлектроэнергии. Одна из крупнейших гидроэлектростанций в мире —«Три ущелья» на реке Янцзы в Китае. Плотина имеет 2,3 км в ширину и 185 метров в высоту.

Гидроэнергетика является самым дешевым способом получения электроэнергии сегодня. Это потому, что после того, как была построена плотина и оборудование установлено, источник энергии — проточная вода — бесплатно. Это источник чистого топлива, возобновляемый ежегодно со снегов и осадков.

Количество электроэнергии, которое производит ГЭС зависит от двух факторов:

1. Высоты водопада: чем с большей высоты вода падает, тем больше энергии она имеет. Как правило расстояние, с которого вода падает зависит от размера плотины. Чем выше плотины, дальше вода падает, и тем больше энергии она имеет. Ученые говорят, что сила падающей воды «пропорционально» расстоянию падения.
2. Количества падающей воды. Больше воды, протекающей через турбину будет производить больше энергии. Количество воды на турбине зависит от количество воды текущей вниз по реке. Большие реки имеют более проточную воду и могут производить больше энергии.

Добыча электроэнергии в гидроэнергетике легко регулируема, операторы могут контролировать поток воды через турбину для производства электроэнергии по требованию. Кроме того искусственные водохранилища могут использоваться для отдыха, плавания или гребли.

Но перекрытие рек может уничтожить или нарушить дикую природу и другие природные ресурсы. Некоторым видам рыбы, как лосось, могут быть перекрыты пути на нерест. Гидроэлектростанции могут также вызвать низкий уровень растворенного кислорода в воде, которая является вредной для обитания речной фауны.

Вода, как источник электрической энергии

Начальные сведения

Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что вода является источником не только тепловой энергии и энергии, заключенной в водороде и кислороде, но и источником электрической энергии. Вспомним мощь грозовых разрядов. Они являются источником электрической энергии, генерируемой из воды в облаках. Теперь можно сказать, что мы вплотную приблизились к моделированию и управлению этими разрядами в лабораторных условиях.

Структуру молекулы воды с полным набором электронов названа нами заряженной структурой (рис. 50). Существуют возможности формирования молекулы воды не с десятью электронами (рис. 73) , а с восемью (рис. 74).

Рис. 73. Схема полу заряженной молекулы воды

Если молекула воды потеряет два электрона, то она станет разряженной (рис. 70).

Главные различия между заряженной (рис. 50) и разряженной (рис. 74) молекулами воды заключаются в том, что в ячейках первого и второго (осевых) электронов атома кислорода заряженной молекулы воды находятся по два спаренных электрона, а в разряженной молекуле воды в этих ячейках располагаются по одному электрону и поэтому у нас есть основания назвать их не спаренные электроны (рис. 74).

Когда спаренные электроны расположены только на одном конце оси атома кислорода, то такую модель назовем полу заряженной (рис. 73, справа).

Рис. 74. Схема разряженной модели молекулы воды

Если гипотеза о разном количестве электронов в молекулах воды подтвердится, то этот факт окажется решающим при получении избыточной энергии при электролизе воды. Он определит причину положительных и отрицательных результатов многочисленных экспериментов, которые ставились для проверки факта существования дополнительной энергии при электролизе воды и явлениях её кавитации. Если вода содержит больше заряженных молекул, то эксперимент даст положительный результат. При большем количестве разряженных молекул результат будет отрицательный. Примерные расчеты показывают наличие разницы в массе одного литра заряженной и разряженной воды. Её можно зафиксировать современными измерительными приборами.

Факт разного количества электронов в молекуле воды имеет экспериментальное подтверждение. Оказалось, что при многократном проходе раствора щёлочи через плазмоэлектролитический реактор в растворе накапливается значительный электрический потенциал.

Количество кулонов электричества, которое генерируется в одном литре воды при потере каждой молекулой воды лишь одного электрона, будет равно произведению числа Авагадро на количество молей молекул воды в одном литре [32]

Кулонов. (98)

Учитывая, что один ампер-час составляет 3600 кулонов электричества, находим минимальную электрическую ёмкость одного литра воды

Ач. (99)

Экспериментальные исследования также показывают, что при определенных режимах плазменного электролиза воды в электролитическом растворе формируется электрический потенциал, значительно превышающий потенциал, подводимый к раствору. В результате этого в электролитическом растворе генерируется электрическая энергия, превышающая электрическую энергию, вводимую в раствор [31].

Анализ энергий связи между электронами и протонами атомов водорода в кластере из двух молекул воды (рис. 75) показывает возможность реализации различных вариантов разрыва этих связей. В обычных условиях рвется связь между двумя протонами и , принадлежащих атомам водорода в молекуле воды. Возможен одновременный разрыв связей и . В последнем случае выделяется молекула водорода. Реализация того или иного вариантов разрыва связей зависит от температуры среды, в которой находятся молекулы воды.

Рис. 75. Схема кластера из двух молекул воды

Если, например, молекулы воды находятся в парообразном состоянии в облаке, то реализация разрыва приведет к формированию в облике положительно заряженных молекул воды. В другом облаке, с другой температурой, возможен разрыв связей или и формирование в облаке отрицательно заряженных и ионов , из которых формируется водород, кислород и озон в процессе грозового разряда.

Поскольку реализация того или иного варианта разрыва связей зависит от температуры, то, зная энергии связей, мы сможем моделировать этот процесс и использовать его для получения электрической энергии из воды.

Дата добавления: 2016-02-02 ; просмотров: 1354 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Как используют силу воды? Что такое гидроэлектростанция?

Автор: Робин · Опубликовано 11.11.2009 · Обновлено 25.04.2016

Человек может на определенных этапах вмешиваться в есте­ственный круговорот воды и таким образом добывать ее энер­гию. Так, например, делают в местах, где потоки воды ручьев и рек прокладывают себе обратный путь к морю. При этом чело­век использует массу водного потока, который направляется на лопасть турбины, установленной под текущей или падающей водой…

Раньше сила текущей воды использовалась по прямому назначе­нию, к примеру — чтобы привести в действие жернова водяной мельницы.

В данном случае вода ручьев и рек направлялась на водяное колесо, которое было связано с мельницей напрямую. Вода падала на колесо сверху и своим весом приводила его в дви­жение (это так называемое «водяное колесо верхнего удара»), или же нижняя часть колеса располагалась в воде, и оно враща­лось под воздействием потока (колесо «нижнего удара»).

В неко­торых средневековых костелах такое водяное колесо приводило в движение не только мельницу для помола зерна, но (при помо­щи системы осей и зубчатых колес) большие кухонные машины для дробления и взбивания.

Позже водяные колеса стали произ­водить энергию для промышленных установок. Недостаток по­лученной таким путем водной энергии — то, что она должна быть потреблена на месте производства.

Сегодня на водяных си­ловых станциях (гидроэлектростанциях) производится элект­роэнергия. Произведенный электрический ток направляется туда, где он необходим.

Как «укрощается» энергия воды на электростанциях?

Вода обладает неимоверной силой. Она вырыла долины, изреза­ла горы, придала определенные формы целым территориям. Чтобы добыть из воды ее энергию, воду нужно приручить. В большинстве случаев для этого строят плотины, которые перегораживают потокам воды путь в море, накапливают воду, созда­вая искусственные водоемы. С помощью плотины вода выраба­тывает энергию, которую в зависимости от потребности можно накапливать или сразу же потреблять.

Энергия освобождается, когда из отвесных каналов вода сбрасы­вается через плотину вниз. На электростанциях эта вода приводит в движение турбины, превращающие механическую энер­гию в электрическую. По проводам ток с электростанции на­правляется потребителям. Произведенный таким образом ток называют гидроэлектрическим (греческим словом «гидро» обо­значаются предметы или явления, связанные с водой).

Гидроэлектростанция – электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. ГЭС обычно строят на реках, сооружая плотины, и водохранилищах.

Принцип работы ГЭС основан на преобразовании энергии падающей воды в энергию вращения турбины. Турбины связаны с генератором, преобразующим энергию вращающейся турбины в электрическую. Первые гидроэлектростанции относились к проточному типу: вода реки просто пропускалась через турбину. Для такого типа ГЭС требуется большой перепад уровней реки, например, как на Ниагарском водопаде, где и была построена такая первая гидроэлектростанция.

На современных гидроэлектростанциях возводятся громадные плотины для увеличения объема воды, равномерно пропускаемой через турбины. Вода из водохранилища по напорному трубопроводу направляется на горизонтально вращающиеся лопасти турбины, соединенной с генератором.

Обычно на гидроэлектростанции используется много турбогенераторных агрегатов. 60—70% энергии падающей воды преобразуется в электрическую энергию.