Фізика. 7 клас. Максимович

§ 38. Енергія річок і вітру. Екологічні характеристики джерел енергії

У наш час важко уявити свій день без ґаджета чи комп’ютера. Усім відомо, що для того, щоб вони працювали, потрібна електрична енергія. Її добувають різними способами. Про те, як отримують її з води і вітру та які переваги чи негативні наслідки такого виробництва, дізнаємося у цьому параграфі.

Дізнаймося про...

перші двигуни;
гідроелектростанцію;
вітроелектростанцію.

1. Водяні та вітряні двигуни

Якщо тіло має певну механічну енергію, то воно може виконувати роботу. Людина з давніх часів старалася винаходити пристрої, які б за неї виконували роботу — важку чи монотонну. Пристрої, які перетворюють енергію на роботу, називають двигунами. Тепер інтенсивно використовують двигуни внутрішнього згоряння, реактивні чи електричні двигуни.

А починалося все з водяного колеса (мал. 38.1).

Мал. 38.1. Водяне колесо

Такий пристрій є водяним двигуном, бо перетворює кінетичну енергію води на механічну роботу. Його принцип роботи дуже простий — вода, падаючи на лопатки колеса, змушує його обертатися. Якщо до осі колеса прикріпити якийсь пристрій, то він буде виконувати роботу. Водяні двигуни ще у Давньому Єгипті піднімали за допомогою стрічки-транспортера з ковшами воду на поля для їх зрошення.

Приєднавши до осі колеса жорна, отримали водяний млин (мал. 38.2).

Мал. 38.2. Водяний млин

Водяних млинів в Україні було багато на кожній річці, і працювали вони до середини XX ст., поки на зміну водяному двигуну не прийшов електричний.

Крім води, ми маємо й інше джерело безкоштовної енергії — вітер. Його здавна навчилася використовувати людина. Вітряний двигун — пристрій, що перетворює кінетичну енергію вітру на механічну роботу. У нас найчастіше його використовували у вигляді вітряного млина (мал. 38.3). На багатьох картинах українські живописці зображали вітряк (мал. 38.4).

Мал. 38.3. Вітряний млин

Мал. 38.4. «Український пейзаж», В. Орловський

Поміркуйте і дайте відповідь

Порівняйте водяний і вітряний млини. Який з них ефективніший і чому?

2. Гідро- та вітроелектростанції

Водяні та вітряні двигуни втратили свою актуальність, коли винайшли генератор — пристрій, що перетворює механічну енергію на електричну, яку можна передавати на велику відстань, а там вже за допомогою електричного двигуна виконувати механічну роботу. Вони трансформувались у гідроелектростанцію (ГЕС) і вітрову електростанцію (ВЄС), основою яких став генератор.

Гідроелектростанція — це установка, яка перетворює кінетичну енергію води на електричну енергію. Основними її агрегатами є гідротурбіна і генератор. Вода, падаючи на лопаті турбіни, змушує її обертатися. На одному валу з турбіною є генератор, який виробляє електричний струм (мал. 38.5). Для збільшення виробництва електроенергії необхідно, щоб вода падала з більшої висоти. Цього досягають підніманням рівня води за допомогою греблі (мал. 38.6).

Мал. 38.5. Гідрогенератор

Мал. 38.6. Гребля гідроелектростанції

В Україні є каскад великих ГЕС на Дніпрі та багато малих гідроелектростанцій, які забезпечують прилеглі території електроенергією. Вони споруджені на малих річках. Перша велика гідроелектростанція в Україні — Дніпровська ГЕС (мал. 38.7). Побудована вона у 1932 році на Дніпрі у Запоріжжі.

Мал. 38.7. Дніпровська ГЕС

Шостою та останньою сходинкою Дніпровського каскаду гідроелектростанцій вважається Каховська ГЕС, яка розташована за 5 км від міста Нова Каховка Херсонської області. 6 червня 2023 року окупанти (Російська Федерація) здійснили підрив гідроелектростанції, спричинивши масштабний екоцид, який загрожує безпрецедентними екологічними наслідками для півдня України й усього Чорноморського регіону.

Установку, яка перетворює кінетичну енергію вітру на електричну енергію, називають вітровою електростанцією (мал. 38.8, а).

Принцип дії ВЕС подібний до роботи ГЕС: вітротурбіна обертається завдяки потоку повітря, що на неї набігає. Це призводить до обертання ротора генератора й отримання електроенергії (мал. 38.8, б).

Мал. 38.8. Вітрова електростанція

Вітрові електростанції належать до альтернативних джерел енергії. Їхня частка в загальному виробництві електроенергії невелика через високу собівартість такої енергії й через те, що вони здатні працювати тільки у вітряну погоду. Тому ВЕС будують на березі моря, в горах чи інших місцевостях, де часто дме вітер.

Поміркуйте і дайте відповідь

Де, на вашу думку, в Україні можна споруджувати ВЕС? Перевірте правильність своїх міркувань за допомогою атласу.

3. Вплив ГЕС та ВЕС на екологію

На перший погляд і гідроелектростанції, і вітроелектростанції не є шкідливими для навколишнього середовища. Адже вони використовують відновлювальні джерела енергії, не забруднюють повітря та прилеглу територію, не створюють відходів, які потребують переробки або захоронення. Проте це не так.

Щоб побудувати гідроелектростанцію, потрібно підняти рівень води, перекривши річку греблею. Оскільки в нас місцевість переважно рівнинна, то це призводить до затоплення великої території. Унаслідок цього ми втрачаємо орні землі, піднімається рівень ґрунтових вод, гине рослинність, тварини змушені освоювати нові місця проживання.

Дамба на річці перешкоджає міграції риби, яка іде на нерест, спричиняє замулення річки. Через те, що глибина утвореного водосховища невелика, то дно добре прогрівається і буйно проростають водорості, які потім відмирають і продуктами розкладу забруднюють воду, поступово перетворюючи прибережну територію на болото.

Вітрові електростанції споруджують на березі моря або в горах. Техніка, яку використовують для їх встановлення, руйнує первісний ландшафт, знищує рослинність, відлякує тварин. Вітряк під час обертання створює певне шумове забруднення, що згубно впливає на живі організми, а також перешкоджає міграції перелітних птахів — потрапляючи під лопаті турбіни, вони гинуть, тому змушені змінювати свої традиційні маршрути.

Отже, потрібно дуже ретельно обирати місце під ГЕС чи ВЕС, зважаючи на всі негативні чинники, які можуть виникнути на цій території.

Запам’ятайте

Двигун — пристрій, який перетворює енергію на механічну роботу.

Водяний двигун перетворює кінетичну енергію води на механічну роботу.

Вітряний двигун перетворює кінетичну енергію вітру на механічну роботу.

Генератор — пристрій, що перетворює механічну енергію на електричну.

Гідроелектростанція — це установка, що виробляє електричну енергію за допомогою води.

Вітроелектростанція — це установка, що виробляє електричну енергію за допомогою вітру.

Електричний двигун — це пристрій, що перетворює електричну енергію на механічну роботу.

Перевірте себе

1. Чому вода і вітер належать до відновлювальних джерел енергії?

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)

Двигун	Engine
Генератор	Generator
Електростанція	Power plant

Зміст