22 Преобразование энергии в каналах м«чнх решеток аксиальной ступени

Пар, пройдя через неподвижные каналы сопловой решетки, попада­ет в каналы, образованные лопатками рабочего колеса. Если пре­небречь потерями, возникающими при течении пара как в сопловой, так и в рабочей решетках, то схе­му работы пара можно рассмот­реть с использованием рис. ,6.7.

П ар подходит к сопловой ре­шетке с параметрами р₀, tо, iо и со скоростью Со, часто близкой к ну­лю. В сопловой решетке, за счет расширения пара скорость потока возрастает от Cо до С1a, температу­ра и давление уменьшаются до р₁ ,t1 происходит превращение потен­циальной (тепловой) энергии пара в кинетическую энергию потока. Для «безударного» (оптимального с точки зрения аэродинамики) вхо­да пара в каналы рабочей решет­ки, обрадованные рабочими лопат­ками, ось сопловой решетки распо­лагается под некоторым углом α1 к направлению движения рабочего колеса, попадая каналы рабочих решеток, которые вращаются с окружной скоростью и, поток пара приобретает по отношению к ним относительную скорость ω1а.

Как показано на рис. 6.7а данную скорость можно опреде­лить в результате геометрическою разложения вектора скорости па­ра, выходящего из сопловой решетки С1а, которую называют абсолютной скоростью пара на входе в рабочую решетку. Отдав часть своей кинетической энергии рабочему колесу, пар вы­ходит из решетки с некоторой от­носительной скоростью ω2а, вектор которой составляет с осью канала рабочей решетки угол ß2. Сложив вектор ω2а с вектором окружной скорости рабочей решетки и полу­чим вектор абсолютной скорости пара на выходе из рабочей решет­ки С2а, образующий с направлени­ем движения решетки угол α2 рис 6.7,а). Это треугольник ско­ростей пара на выходе из ступени.

24. Степень реакции ступени.

Отношение разности энтальпий на рабочих лопатках к полному значению разности эн­тальпий называется степенью реакции ступени и обозначает­ся ρ, т. е.

Степень реакции в реактивных ступенях обычно находится в пре­делах р=0,4-0,6. Рабочие ступе­ни, для которых степень реакции мала и находится в пределах р = 0,1-т-0,2, часто называют актив­ными ступенями с небольшой сте­пенью реакции.

23 ПОТЕРИ И КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТУРБИННОЙ СТУПЕНИ

Потерн, возникающие при дви­жении пара в сопловой решетке, были рассмотрены в предыдущем параграфе. Эти потери с учетом (6.11) я (6.12) равны

быть определена как располагае­мый теплоперепад 1 кг пара в ступени турбины, от параметров торможения , , до конечных параметров пара в ступени. В i, s диаграмме процесс работы пара чисто активной ступени турбины можно представить в виде, изобра­женном на рис 6.9. кинетическую энергию с₀²/2 можно считать результатом пред­варительного изоэнтропийного рас­ширения потока при нулевой на­чальной скорости от некоторой на­чальное энтальпии до энталь­пии .

26 Многоступенчатые турбины

Для того чтобы обеспечить оп­тимальное значение и/Сф, теплоперепад в ступени при допустимых значениях окружной скорости u= 140-210 м/с должен составлять 40—80 кДж/кг. Теплоперепад, сра­батываемый в современных турби­нах, составляет 1400—1600 кДж/кг, следовательно, пар должен проходить через значительное число ступеней. По конструктивным соображе­ниям в одном корпусе группируют по 5—12 ступеней. Каждая такая группа называется цилиндром.

На рис. 6.16 показана конструк­тивная схема восьмиступенчатого цилиндра. Пар подводится в каме­ру и затем к сопловым решеткам первой ступени 2. На вал насажены диски 3 с лопатками 4, между ко­торыми в корпусе турбины помеще­ны сопловые решетки промежуточ­ных ступеней 6, расположенные в Диафрагмах 5. Отработавший пар выходит через выхлопной патру­бок 7. Поте­ри энергии в отдельной ступени приводят к некоторому увеличению энтальпии пара на выходе из сту­пени и одновременно к увеличению располагаемого теплоперепада по­следующей ступени из-за расхож­дения изобар h_а < hаз). в резуль­тате получается, что сумма располагаемых теплоперепадов всех ступеней

где а_т>0 называется коэффи­циентом возврата теплоты и определяет долю потерь, которая может быть использована в после дующих ступенях турбины. Это су­щественное преимущество много­ступенчатой турбины перед одно­ступенчатой.

Только после регулирующей ступени и за последней ступенью каждого цилиндра кинетическая энергия практически полностью пе­реходит в теплоту, увеличивая эн­тальпию потока. Важным преиму­ществом многоступенчатых турбин является и тот факт, что даже при умеренных окружных скоростях ра­бочих лопаток можно обеспечить оптимальное значение и/Сф и соот­ветственно максимальный КПД ступени, так как теплоперепад каж­дой ступени небольшой. В много­ступенчатой турбине могут быть выполнены отборы пара для реге­неративного подогрева питательной воды, что позволяет существенно повысить экономичность теплового цикла. Перечисленные положительные факторы позволяют достигнуть в многоступенчатой турбине повы­шенной экономичности. Однако следует иметь в виду, что такие турбины являются слож­ными и дорогими машинами, при­менение которых оправдывается в случае достижения необходимой экономичности. В многоступенчатых турбинах возникают дополнитель­ные потери, которых нет в односту­пенчатых или которое не имеют в этих турбинах существенного зна­чения. Прежде всего это потери от перетекания пара между ступенями турбины, утечки через уплотнения промежуточных диафрагм, конце­вые уплотнения и т. д. Внутренняя мощность многосту­пенчатой турбины есть сумма внут­ренних мощностей ступеней:

При использовании энергии па­ра в ряде последовательно распо­лагаемых ступеней турбины кроме обычных ступеней часто приме­няются так называемые ступени скорости. Вызвано это тем» что при осуществлении процессов регулиро­вания, а также при срабатывании в ступени большого теилоперепада с умеренной окружной скоростью требуется обеспечить достаточно высокий КПД ступени. Из преды-дущего^:;известно, что в случае сра­батывания большого теилоперепада и соответственно роста Сф при по­стоянной окружной скорости отно­шение и/Сф уменьшается и сущест­венно увеличиваются потери с вы­ходной скоростью. Для того чтобы использовать эти потери кинетиче* ской энергии, можно после первого ряда рабочих лопаток расположить неподвижную поворотную ре­шетку, т. е, решетку, в которой потоку пара с выходной.скоростью с₂ придается соответствующее на­правление для «безударного» входа во вторую рабочую решетку и сра­батывания в ней теплоперепада, обусловленного скоростью с₃, и да­лее, если потребуется, таким же образом - в третью. Такого типа ступени, где при одной сопловой решетке преобразование кинетиче­ской энергии производится в не­скольких рабочих решетках, назы­ваются ступенями скорости Чем больше срабатываемый тепло-перепад в таких ступенях при за­данной окружной скорости, те» большее число рядов рабочих лопа­ток приходится устанавливать. Однако с ростом числа рядов (венцов) уменьшается достижимый КПД турбины, и поэтому в совре­менных турбинах можно встретить только двухвенечные ступе­ни скорости. В небольших тур­бинах, где экономичность не имеет определяющего значения, приме­няются также трехвенечные ступе­ни скорости.

30

Системы парораспределения и регулирования пар. Турбин. Дроссельное, сопловое и обводное парораспределение. Работа на скользящем начальном давлении.

Изменение расхода пара, проходящего ч/з турбину в зав-ти от её нагрузки (мощности), осуществляется системами парораспределения и регулирования турбины.

Система парораспределения состоит из клапанов и связанных с ними трубопроводов для подвода пара к т-не. Система регулирования состоит из регуляторов и устройств, передающих необходимые воздействия на органы парораспределения, т.е. клапана.

Обычно различают 3 метода парораспределения: др, обводное (байпасное) и сопловое. При дроссельном парораспределении свежий пар при впуске в первую ступень турбины проходит ч/з специкальный клапан, осуществляющий дросселирование всего количества свежего пара, т. е. Снижение давления при i=const.

При обводном парораспределении пар подаётся ч/з дроссельные клапаны к первой и к одной (или нескольким) последующим ступеням турбины.

При сопловом парораспределении пар проходит ч/з неск-ко параллельно установленных и последовательно включённых клапанов, подводящих пар к соплам первой степени турбины. В зав-ти от числа открытых клапанов меняется число сопл, ч/з которые поступает пар к первой (регулирующей) ступени турбины.

В современных т-нах прим. т-ко сопл. и дрос. парораспределение.

При сопл. п/распр. в условиях сниженных нагрузок один или 2 клапана м. б. полностью закрыты и дальнейшее регулирование расхода пара производится путём частичного открытия одного клапана, благодаря чему дросселированию подвергается относительно небольшое количество пара (в зав-ти от числа клапанов). В итоге обычно экономичность турбины с сопловым п/распр на частичных нагрузках оказывается выше, чем в случае дрос п/распр. Исключения м. б. при дросселтьном п/распр и регулировании турбины со скользящим давлением свежего пара. При полной же нагрузке турбины потери во всех клапанах при сопловом п/распр в сумме больше, чем потери в дрос. клапане, и экономичность работы турбины выше в этом случае при дрос. п/распр.

31

АЭС, а. реакторы, особенности паротурбинного цикла АЭС.

В с-ме любой АЭС различают теплоноситель и рабочее тело. Назначение теплоносителя – отвод теплоты из реактора. Рабочее тело предназначено для преобразования тепловой энергии в механическую. Если контуры теплоносителя и раб. тела совпадают, то такую АЭС наз. одноконтурной. Достоинством одноконтурных АЭС явл простота тепловой схемы и относительно высокая тепловая экономичность.

Если контуры теплоносителя и раб тела разделены, то такую АЭС наз двухконтурной. Соответственно контур теплоносителя наз первым, а контур раб тела – вторым. В данном типе АЭС контур теплоносителя явл радиоактивным и вкл в себя часть оборудования АЭС.

В состав реакторной установки АЭС в зав-ти от её типа входят различные агрегаты. Однако важнейшим и основным элементом явл реактор. Яд реактор – это аппарат, предназначенный для осуществления и поддержания цепной реакции деления тяжелых ядер при взаимодействии их с нейтронами. В одном акте деления тяжелых ядер, являющихся ядерным топливом, выделяется большое кол-во энергии (200 МэВ), которое отводится из активной зоны реактора теплоносителем.

В процессе деления ядерного топлива образуются новые нейтроны, которые м. б. использованы для осуществления самоподдерживающейся цепной реакции деления.

На одноконтурных АЭС по нейтронно-физическим и теплогидравлическим соображениям теплоноситель м. б. т-ко кипящим. Переход к перегреву пара усложняет работу реактора, повышает его стоимость, и, как правило, достоинства цикла на перегретом паре на АЭС не проявляются так очевидно, как на ТЭС. Повышение t и соответственно р насыщенного пара сверх 7,0 МПа не приводит к существ росту показателей тепловой экономичности, однако делает необходимым увеличение стенки технологических каналов. Это неблагоприятно с нейтронно-физической точки зрения, т.к. в активной зоне реактора возрастает относительное кол-во конструкционных материалов, что уменьшает запас реактивности реактора. На 2хконтурной АЭС начальные параметры пара жестко связаны с параметрами теплоносителя. Замедлителем нейтронов и одновременно теплоносителем в реакторе типа ВВЭР (водо-водяной реактор корпусного типа) явл. некипящая вода. Объемное кипение воды недопустимо, т.к. при этом резко снижается её замедляющая способность.

В парогенераторе необходим определенный перепад температур м/у т-носителем и раб телом, а раб тело д. б. кипящей средой, давление пара перед турбиной не может превышать 6.0 МПа. Понижение давления пара перед турбиной при зафиксированной максимальной температуре раб тела позволило бы организовать цикл на перегретом паре. Однако т/д оценки показывают, что такой цикл имел бы более низкие показатели тепловой экономичности, нежели цикл на насыщенном паре.

Анализ показывет, что турбинные установки на насыщенном паре с давлением не выше 7,0 МПа обеспечивают оптимальные технико-экономические показатели АЭС с водным теплоносителем. Основными особенностями таких установок явл относительно невысокая экономичность и нарастающая влажность пара по ступеням.

В любых пар турб, за исключением противодавленческих, приходится иметь дело с работой на влажном паре. Однако для турбин на перегретом паре это относится т-ко к последним ступеням, в турбинах на насыщ паре большая часть ступеней (а в отсутствии промеж перегрева – все степени турбины) работает на влажном паре. Влажность пара отриц влияет на работу турб, в частности, вызывая эрозию её лопаток.

Сущ разные способы предотвр этого явл. Одним из наиболее приемл – отвод влаги из проточной части турбины при помощи сепарационных устройств. К этим устройствам отн прежде всего внешние турбинные сеператоры, устанавливаемые м/у корпусами турбины.

Ядерный реактор - это техническая установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция деления тяжелых ядер с освобождением ядерной энергии. Ядерный реактор состоит из активной зоны и отражателя, размещенных в защитном корпусе.Активная зона содержит ядерное топливо в виде топливной композиции в защитном покрытии и замедлитель. Топливные элементы обычно имеют вид тонких стержней. Они собраны в пучки и заключены в чехлы. Такие сборные композиции называются сборками или кассетами.

Вдоль топливных элементов двигается теплоноситель, который воспринимает тепло ядерных превращений. Нагретый в активной зоне теплоноситель двигается по контуру циркуляции за счет работы насосов либо под действием сил Архимеда и, проходя через теплообменник, либо парогенератор, отдает тепло теплоносителю внешнего контура.

Перенос тепла и движения его носителей можно представить в виде простой схемы:

1

.Реактор

2.Теплообменник, парогенератор

3.Паротурбинная установка

4.Генератор

5.Конденсатор

6.Насос

Классификация ядерных реакторов

Ядерные реакторы делятся на несколько групп:

• в зависимости от средней энергии спектра нейтронов - на быстрые, промежуточные и тепловые;

• по конструктивным особенностям активной зоны - на корпусные и канальные;

• по типу теплоносителя - водяные, тяжеловодные, натриевые;

• по типу замедлителя - на водяные, графитовые, тяжеловодные и др.

Для энергетических целей, для производства электроэнергии применяются:

• водоводяные реакторы с некипящей или кипящей водой под давлением,

• уран-графитовые реакторы с кипящей водой или охлаждаемые углекислым газом,

• тяжеловодные канальные реакторы и др .

В будущем будут широко применяться реакторы на быстрых нейтронах, охлаждаемые жидкими металлами (натрий и др.); в которых принципиально реализуем режим воспроизводства топлива, т.е. создания количества делящихся изотопов плутония Pu-239 превышающего колич ество расходуемых излотопов урана U-235. Параметр, характеризующий воспроизводство топлива называется плутониевым коэффициентом. Он показывает, сколько актов атомов Pu-239 создается при реакциях захвата нейтронов в U-238 на одмин атом U-235, захва тившег о нейтрон и претерпевшего деление или радиационное превращение в U-235.

33.

Основные понятия гидростатики и гидродинамики. Ур-е Бернулли. Гидравлические сопротивления. Гидравлический уклон.

Гидростатикой наз. раздел гидравлики, в котором изучаются законы равновесия неподвижных жидкостей и рассматриваются практические приложения этих законов. В каждой точке некоторого объема жидкости, находящейся в равновесии, будет наблюдаться определенное давление, называемое гидростатическим. Оно обл. двумя св-вами: давление направлено по внутренней нормали к площадке, на которую действует, и давление не зависит от ориентировки в пространстве этой площадки.

Полное гидростатическое давление р, Па опр по основному Ур-ю гидростатики: , где p0 – внешнее давление, действующее на свободную поверхность жидкости, Па; - плотность жидкости, кг/м3; h – глубина погружения, м; g – ускорение свободного падения, м/с2. Произведение есть избыточное (по отн к р0) или давление столба жидкости. В случае, если внешнее давление равно атмосферному, то избыточное давление наз. также манометрическим.

Гидродинамикой наз раздел гидравлики, изучающий законы движения жидкости. Состояние жидкости, находящейся в движении, опр не т-ко давлением, но и скоростями отдельных частиц. Картина скоростей в каждый данный момент времени в пространстве, заполненном движущейся жидкостью, наз полем скоростей, а картина давлений – полем давлений. (под давлением понимается гидродинамическое). Площадью живого сечения (живым сечением) наз площадь сечения потока , расположенная перпендикулярно продольным стенкам русла, т.е. общему направлению движения жидкости. Длина части периметра, по которой поток соприкасается с ограничивающими его стенками, наз смоченным периметром и обозначается . Отношение живого сечения к смоченному периметру наз гидравлическим радиусом . Расход потока Q- кол-во жидкости, протекающее ч/з поперечное сечение потока в единицу времени. Различают движение установившееся и неустановившееся. Установившееся движение м.б. равномерным и неравномерным.

Это ур-е наз. уравнением неразрывности потока и явл первым основным ур-ем гидродинамики. Из ур-я следует, Вторым основным уранением гидродинамики явл Ур-е, устанавливающее зависимость м/у скоростью и давлением в различных сечениях потока жидкости. Это Ур-е можно получить из основного Ур-я гидростатики, определяющего гидростатический напор Hc относительно уровней 1-2 над плоскостью сравнения. . При движении жидкости часть потенциальной энергии для любого i-го уровня превращается в кинетическую mv^2/2, но при этом сумма обоих видов энергии (потенциальной и кинетической) согласно закону сохранения энергии остаётся неизменной. Тогда можно записать так: - Ур-е Бернулли.z1, z2 – высоты расположения над плоскостью сравнения тех точек, которым соответствуют давления p1,p2. Они выражают удельную энергию положения жидкости. P1/(ро)g и p2/(ро)g – пьезометрические высоты или соответственно энергии давления. V12/2g и V22/2g – удельные кинетические энергии жидкости в рассматриваемых сечениях. Нд-гидродинамический напор. Гидравлический уклон х-зует относительное изм полного напора на единицу длины потока.Iгидр=(Н1-Н2)/l.Местные сопротивления обусловлены различного рода препятствиями, устанавливаемыми в потоке (затвор, решетка). Они приводят к изменению величины или направления скорости течения жидкости.

Сопр. По длине потока проявляются по всей длине потока и обусловлены силами трения частиц жидкости друг с другом и о стенки водовода, они пропорциональны длине потока и обозн hд.

34.

Гидрологические основы гидроэнергетики. Работа водного потока. Схемы концентрации напора.

Вода, текущая в русле реки или канале с перепадом уровней Н, на рассматриваемом участке непрерывно совершает работу, кот расходуется на преодоление внутреннего сопротивления движению воды, сопротивления на трения в русле. Если прит этом в рассматриваемом русле протекает расход Q, то работу, кот-ю может совершить вода в 1 с, т.е. потенциальная мощность водотока, выраженная в КВт или КДж/с, опр ф-лой:

N=(ро)gQH=9.81QH(КПД).

Q-расход воды м3/с, Н – напор, м. (КПД) – кпд установки. Энергия водотока Э, кВт*ч, определяемая произведением мощности N на время t составляет:

Э=9.81QH(кпд)t/3600=WH(кпд)/367.

Концентрация в каком-либо удобном месте напора осуществл с пом гидротехн сооружений по плотинной или деривационной схеме. Плотинная схема предусм сооружение плотины, перегораживающей в выбранном створе русло реки. В рез-те создается разность уровней воды с верховой и низовой по течению стороны пластины. Создающееся при этом с верховой стороны водохранилище носит название верхнего бьефа, а часть реки, прим к плотине с низовой стороны, - нижнего бьефа. Разность уровней бьефов создает необходимый напор ГЭС – Н. При этом этот напор за счёт кривой подпора будет неск-ко меньше того, кот возможен при исп рассматриваемого уч-ка реки. Деривация - искусственный водовод, выполняемый в виде открытого канала.

На горных реках с большими уклонами концентрация напора обычно осуществл по деривационной схеме, реализуемой следующим образом В выбранном створе реки возводится плотина 1, создающая обычно небольшой подпор и сравнительно малое водохранилище, из которого ч/з водоприемник вода направляется в деривацию 3,. Вода из дер. Поступает по напорным трубопроводам 6 к турбинам ЭС. Т.о. , при этой схеме напор созд не плотиной, как в предыдущей схеме, а деривацией. При этом если дер. Напорная, то в конце её для смягчения возможных при нестационарных режимах гидравлических ударов сооружается дополнительный резервуар 5. Ест-но, что исп-мый ГЭС напор Hгэс будет меньше на величину потерь в водопроводящем тракте (дер., напорный трубопровод).

Разновидностью рассм-ных двух схем явл. плотинно-дерривац. (смеш.) схема, реализуемая в тех случаях, когда используемый уч-к реки на своем протяжении имеет различный уклон, в рез-те чего ц-образно исп. Плотинную схему там, где уклон мал и дер-ную, где уклон больше.

35

Существуют два главных фактора, которые определяют энергетический потенциал: расход воды за единицу времени и высота падения воды по вертикали. Верхняя точка, с которой падает вода - вершина - может быть естественной благодаря топографическому местоположению или может быть создана искусственно посредством строительства дамб. Этот принцип остается постоянным. Другой фактор - расход воды - прямой результат интенсивности, распространения и продолжительности дождевых осадков. Он также зависит от прямого парообразования, испарения, инфильтрации в землю, площади бассейна реки и грунта. Реки являются частью процесса круговорота воды в природе, "управляемого" солнцем. Вода испаряется с поверхности мирового океана в атмосферу, затем выпадает в виде осадков на Землю, после чего различными наземными и подземными потоками вновь "возвращается" в океан. Мировой потенциал гидроэнергетики может быть оценен с помощью суммирования всех речных стоков, существующих на Земле. Результаты показывают, что этот суммарный потенциал, достигающий 50 000 млрд кВт·ч в год, составляет только четверть от количества выпадающих в мире осадков, но превосходит более чем в четыре раза суммарное годовое производство всех существующих в мире электростанций. Основываясь на местных условиях и состоянии мировых рек, реальный потенциал мирового водного ресурса находится в интервале 2 - 3 млрд кВт, что соответствует годовой выработке энергии в 10 000 - 20 000 млрд кВт·ч (согласно данным ООН за 1992г.). Остаётся важным вопрос: какое количество этого потенциала мы можем позволить себе использовать (см. главу по вопросам, связанным с окружающей средой)?

Теоретический ежегодный потенциал производства в 10 000 млрд кВт·ч электроэнергии означает, что для производства такого же количества электроэнергии на теплоэлектростанциях, работающих на нефти, потребовалось бы приблизительно 40 млн баррелей нефти в день.

СТОИМОСТЬ

Благодаря относительно низким затратам и конкурентоспособной цене за электроэнергию, выработанной на ГЭС, гидроэлектростанции представляют собой очень привлекательный бизнес для инвесторов. Кроме того, срок эксплуатации ГЭС намного превышает срок службы энергогенерирующих станций, работающих на ископаемом топливе. Существуют ГЭС, находящиеся в эксплуатации практически 100 лет. ПРОБЛЕМЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ

Основной причиной того, что ГЭС не строят повсеместно, является высокая стоимость их строительства, а также необходимость наличия больших водных ресурсов в относительной близости к населенным пунктам. К другим проблемам, связанным со строительством ГЭС, относятся: воздействие дамб на речные экосистемы и социальные проблемы, в частности, связанные с переселением жителей.

ВОЗДЕЙСТВИЕ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ НА ЭКОЛОГИЮ

Русло реки - экологическая система, где изменения в пределах одного компонента могут вызвать цепную реакцию. Например, изменения в расходе воды могут воздействовать на качество воды и ситуацию с рыбой ниже по течению. Барьеры дамбы могут значительно изменять условия существования рыбы. Кроме того, помимо появления нового водохранилища или увеличения размеров старого, построенная дамба может блокировать миграционные пути рыбы.

Изменения среды могут быть обнаружены и далеко вниз по течению, иногда даже в море. В тропиках могут происходить большие сезонные изменения количества осадков. В сухие периоды парообразование с озер и водохранилищ может быть значительным, что повлияет на уровень воды в водохранилищах более существенно, чем в умеренных широтах. Русло реки и ее водораздел взаимно влияют друг на друга. Русло, например, может воздействовать на местный климат и уровень грунтовых вод в окружающих районах. Седиментация, происходящая в водохранилище, часто приводит к повышенной эрозии земли вниз по течению, что, в свою очередь, увеличивает суммарную эрозию земли в регионе. Изменения скорости течения и уровня воды также вызовут изменения в перемещении осаждающихся веществ.

Во время строительства ГЭС особенно большим будет перемещение грязи и отложений вниз по течению от места возведения станции. Земляные работы и проходка туннеля могут привести к значительному ухудшению качества воды, что вызовет дополнительные проблемы. ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ

Грунтовые воды играют важную роль в поддержании существующей экосистемы, ее флоры и фауны. В большинстве стран грунтовые воды являются также источником питьевой воды. Водохранилища вместе с изменением и возможными колебаниями уровня воды, вызванными наличием ГЭС, влияют на уровень грунтовых вод в окружающих районах, что, в свою очередь, может повлиять на качество воды и перемещение осадков в русле реки в результате стока и эрозии.

ЧРЕЗМЕРНОЕ УДОБРЕНИЕ

Всякий раз, из-за попадания питательных веществ в водохранилище, результатом может быть его чрезмерное удобрение - эутрофикация, что может привести к ускоренному росту водорослей и других водных растений. Увеличенное образование органических веществ в водохранилище или поступление их извне может вызывать анаэробные процессы (недостаток кислорода) в глубинных слоях воды.

В целом, мелкие озёра с большой площадью поверхности наиболее уязвимы, отчасти потому, что резерв кислорода в нижних слоях воды ограничен по сравнению с верхними слоями, где "вырабатываются" органические вещества. В глубоких узких озёрах, при условии регулярной циркуляции воды, содержание кислорода в глубоководных слоях будет достаточным для переработки отложившегося органического вещества. Однако, это не всегда верно для тропиков. Если река изначально богата питательными веществами, риск эутрофикации увеличивается.

Парообразование также может увеличивать концентрацию питательных веществ, приводя к чрезмерному удобрению или эутрофикации. Тропическая почва обычно имеет низкое содержание гумуса, что вместе с большими сезонными колебаниями количества осадков и их выпадением, чаще всего в виде сильных ливней, может вызвать значительную эрозию земли. Отложения будут "задерживаться" и скапливаться в водохранилище. Срок службы водохранилища, таким образом, уменьшается. Перемещение отложений и питательных веществ играет критическую роль в экосистеме реки. Использование людьми природы и ее богатств может полностью зависеть от разливов, водных отложений и питательных веществ.

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

Водохранилище служит "ловушкой" для питательных веществ и грязи, что может привести к значительному понижению общей миграции питательных веществ вниз по течению. Кроме того, годичные изменения в снабжении питательными веществами русла реки могут также подвергаться изменениям, что в свою очередь снижает биологическое воспроизводство на всем пути к морю. Имеются примеры, когда вследствие строительства дамбы лов рыбы морским флотом сокращался.

РЫБА

Для некоторых видов рыб могут возникнуть препятствия для их размножения из-за возможного изменения уровня воды во время периода нереста. В искусственном водоеме обычно обитают меньше видов рыб, чем в естественном озере. Изменения потока воды могут радикально влиять на питательные вещества и условия икрометания вниз по течению. Также изменяется и "образование" пищи, как и ее доступность для рыбы. В дамбе и на местах сброса воды от турбин может выделяться избыточный газ, преимущественно азот, что может быть смертельным для рыбы

Некоторые ГЭС оборудованы каналами для рыбы

ФЛОРА И ФАУНА

Затопление и изменение потока воды, кроме того, вызывает изменение фауны и флоры вне русла реки. Из-за постоянных или периодических затоплений под ударом окажется животный и растительный мир района, где находится ГЭС. Если животные могут частично переместиться в новые места обитания вне области водоема, (естественно, если соответствующие условия среды будут найдены), то растительность затопляемых областей считается утраченной.

Трудно предсказать вообще, какие произойдут изменения вне затопленной области. Локальные климатические изменения и изменения уровня грунтовых вод могут воздействовать на флору и фауну. Ценные виды и природные разновидности могут быть потеряны навсегда. Общее увеличение активности в районе (транспорт, шум и т.д.), особенно характерные для периода строительства, также воздействует на фауну отрицательным образом.

ДВИЖЕНИЕ ПОПУЛЯЦИЙ

Для больших ГЭС с дамбами необходимы большие водохранилища и большие площади для разлива. Для освобождения места под эти площади необходимо переселить много людей. Это значит, что жизнь многих людей может существенно измениться вследствие абсолютно нового местожительства, нового распределения земли, новых условий труда и стиля жизни. В случае с возведением больших ГЭС воздействие на жизнь людей может быть достаточно серьезным.

Социальные последствия, вероятно, возникнут и в том случае, если население района, где строится ГЭС, будет вынуждено переселиться на земли более экологически уязвимые и менее плодородные, чем те, которые они традиционно использовали. Такое косвенное воздействие на экологию может вызвать ряд значительных экологических проблем, имеющих негативные последствия для всего района, где находится ГЭС.

Особенно страдает коренное население. Из-за своих социально-культурных традиций и исторически сложившейся привязанности к земле, воде и другим природным ресурсам, они не могут приспособиться к изменениям и новым видам деятельности. Перемещение групп коренного населения ставит под удар всю их культурную систему. Такие меньшинства брошены на произвол судьбы, поскольку они практически не имеют большого политического влияния и возможности отстаивать свои собственные интересы.

Изменения в условиях социальной, экономической и религиозной организации общества могут создавать ряд косвенных социальных последствий, которые трудно предвидеть в процессе планирования проекта. Культурные ландшафты, древние стоянки, святые места, места погребения и т.д. часто имеют большое значение для культуры местного населения.

ЗДОРОВЬЕ

Большие ГЭС могут влиять на развитие эпидемий заболеваний, связанных с водой. Водохранилище может улучшать проживание и условия размножения паразитических организмов, вызывающих различные заболевания. Среди них можно упомянуть сыпной тиф, холеру, дизентерию и другие. К заболеваниям, связанным с водной средой обитания основных переносчиков, относятся биляриоз, малярия, филариоз, сонная болезнь и желтая лихорадка.

Водохранилища, где находится большое количество стоячей воды с низкими колебаниями ее уровня, создают благоприятные условия для жизни болезнетворных организмов. Растительность в водохранилище также "улучшает" среду обитания для некоторых типов переносчиков инфекции. Например, растительность может снабжать переносчиков инфекции повышенной порцией питательных веществ; улучшаются условия для размножения и сохранения в периоды низкого уровня воды; водные растения закрывают от сильного солнечного света улиток, которые являются разносчиками биляриоза. К тому же, исследования показали, что разновидность москитов - разносчиков малярии и филариоза - существует благодаря растительности в водоемах. Если водоем используется и для ирригации, и для снабжения технической и питьевой водой, имеется риск заражения болезнетворными организмами, живущими в воде. Такая инфекция может распространяться на обширные территории.

НАВОДНЕНИЕ, ВЫЗВАННОЕ ПРОРЫВОМ ДАМБЫ

Прорыв дамбы происходит редко, но, из-за его возможных масштабных последствий, необходимо заранее оценить размеры повреждений, вызванных прорывом. Несчастные случаи с людьми, повреждение имущества и технических сооружений рассматриваются как наиболее существенные, но значительным также может быть и негативное воздействие на окружающую среду.

Согласно статистике, наиболее частой причиной прорыва дамбы является сочетание усиления течения реки перед дамбой и повреждений в водосливе дамбы. Вторичными причинами являются дефекты основания дамбы или просачивание через нее воды. При высоком уровне воды в водохранилищах оползни земли и камней от насыпи выше или внутри резервуара могут вызывать настолько массивные паводковые волны, что вода может проливаться по полной или частичной ширине дамбы. Если дамба насыпная, это может привести к разрушению самой дамбы. Специальные меры предосторожности должны быть приняты, если большая дамба строится в сейсмически опасном районе.

Гидроэнергетические технологии можно разделить на два типа: традиционные и гидроаккумулирующие, использующие насосную систему. Существует и другая классификация ГЭС, в зависимости от:

номинальной мощности (большие или малые ГЭС);

уровня напора воды (низкие, средние и высоконапорные ГЭС);

типа турбины (Каплана, Фрэнсиса, Пелтона и т.д.);

расположения и типа дамбы, водохранилища.

Традиционные гидроэлектростанции для производства электроэнергии используют энергию воды рек, потоков, каналов, водоемов. ГЭС можно разделить на электростанции с дамбой, и на ГЭС, использующие систему отвода воды. В первом случае дамба используется для хранения воды. Вода может быть спущена в случае изменения потребностей в производстве электроэнергии или для поддержания постоянного уровня воды. Во втором случае строятся специальные обводные каналы, называемые деривационными. Производство гидроэнергии - только одна из многих целей. Водные ресурсы могут использоваться и для ирригации, регулирования стока, навигации, для промышленного и муниципального снабжения водой.

ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ В основе работы гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) лежит удивительно простой принцип, основанный на хранении воды в двух водохранилищах, находящихся на различной высоте. В периоды, когда электрическая нагрузка в единой энергосистеме минимальная (обычно ночью), ГАЭС работает в насосном режиме, перекачивая воду с нижнего водохранилища в верхнее, используя при этом электроэнергию из системы. В режиме непродолжительных "пиков" - максимальных значений нагрузки в энергосистеме - ГАЭС работает в генераторном режиме и использует воду, накопленную в верхнем водохранилище. После того, как процесс пиковой генерации завершён, вода перекачивается назад в верхнее водохранилище и ГАЭС готова к следующему циклу. Являясь энергопотребителем (использование энергии в насосном режиме), ГАЭС имеют особое значение благодаря тому, что они могут быть быстро введены в работу для генерирования электроэнергии во время "пиковых" нагрузок в энергосистеме. В большинстве случаев, гидроаккумулирующие ГЭС проходят полный цикл каждые 24 часа.

36.

Состав и компановка основных сооружений ГЭС. Водохранилища ГЭС и регулирование речного стока.

Состав и компоновка ГЭС опр-ся схемой концентрации напора, кот сущ 2: плотинная и деривационная. ГЭС, сооруж по плот. схеме дел. На 2 типа: русловые и приплотинные. Деривационные тоже дел на: с безнапорной дерив. и напорной. Основными сооруж ГЭС, выполненными по плотинной схеме, явл. плотины и здание ГЭС. При напоре до25-30 м здание станции 3 размещается в одном створе с плотиной и восприним напор. Такие ГЭС наз русловыми. При комплексном исп-вании водотока в состав гидроузла, кроме плотины 2 и здания ГЭС, вкл-ся сооружения, предназначенные для удовлетворения специфических нужд каждого участника комплекса (шлюз для транспортировки, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения, рыбоходы и т.д.) При напоре, превышающем 25-30 м, здание ГЭС размещается за плотиной в нижнем бьефе и не воспринимает напор. Такие ГЭС носят назв приплотинных. Компоновка гидроузлов с приплотинными ГЭС в значительной степени зависит от типа плотины и создаваемого ею напора. Сооружения дер ГЭС располагаются в 2х узлах: головном и станционном, соединенных м/у собой деривацией.

Основным назначением водохранилищ ГЭС явл трансформация ест-ного, обычно неравномерного, режима речн стока в режим, необх для отдельн отраслей нар хоз-ва, и, в частности, энергетики. Кроме того, в некот. случаях назначением водохр явл борьба с наводнением в нижнем бьефе во время половодий. В этих случаях определенное кол-во воды задерж. В водохр, благодаря чему расходы воды в нижнем бьефе становятся существенно меньшими ест-ных расходов половодий. Водохр. Созд путём устр-ва на реках или других водотоках плотин, повышающих уровни воды и образующих необходимой ёмкости водоёмы.

Ест-ный режим речного стока в подавл больш-ве случаев отличается крайней неравномерностью. Так, на равнинных реках в периоды весеннего половодья проходит обычно до 60-70 % годового стока. Сущ-но различается годовой сток и в многолетнем разрезе. Степень зарегулированности стока опр относительной ёмкостью водохранилища .

Различают регулирование водноэнергетическое (пререраспр стока для энергетич целей) и водохозяйственное. При комплексном исп водотока, когда последний исп как для энерг и для неэрг целей, осуществл-ся комплексное регулирование, т.е. напора и расхода для ГЭС и только расхода для других водопользователей. Длительность цикла регулирования опр его разновидности. В соотв с чем различают краткосрочное (суточное, недельное) регулирование и длительное (сезонное, годичное, многолетнее).

37.

В настоящее время малые и нетрадиционные установки вырабатывают приблизительно 50 млрд. кВт.час, что составляет около 0,5% от общей выработки электроэнергии в стране. При этом технический потенциал возобновляемых источников энергии составляет около 4,6 млрд. тонн условного топлива, а экономический потенциал - около 270 млн. тонн условного топлива в год, соответственно около 115, 65, 35, 10, 35 и 12,5 млн. тонн условного топлива для геотермальных источников, малых и микроГЭС, биомассы, ветровой энергии, низкопотенциального тепла и солнечно йэнергии.Это достаточно большой потенциал, и его необходимо задействовать в максимальной степени, поскольку этот дополнительный вклад в энергообеспечение экономики практически не будет сопровождаться негативным воздействием на окружающую среду. Различные виды НВИЭ находятся на разных стадиях освоения. Как это ни парадоксально, наибольшее применение получил самый изменчивый и непостоянный вид энергии - ветер. Суммарная мировая установленная мощность крупных ВЭУ и ВЭС, по разным оценкам, составляет от 10 до 20 ГВт. Кажущийся парадокс объясняется тем, что удельные капиталовложения в ВЭУ ниже, чем при использовании большинства других видов НВИЭ. Растет не только суммарная мощность ветряных установок, но и их единичная мощность, превысившая 1 МВт. Во многих странах возникла новая отрасль - ветроэнергетическое машиностроение. По-видимому, и в ближайшей перспективе ветроэнергетика сохранит свои передовые позиции. Мировыми лидерами по применению энергии ветра являются США, Германия, Нидерланды, Дания, Индия.Второе место по объему применения занимает геотермальная энергетика. Суммарная мировая мощность ГеоТЭС составляет не менее 6 ГВт. Они вполне конкурентоспособны по сравнению с традиционными топливными электростанциями. Однако ГеоТЭС географически привязаны к месторождениям парогидротерм или к термоаномалиям, которые распространены отнюдь не повсеместно, что ограничивает область применения геотермальных установок. Наряду с ГеоТЭС, широкое распространение получили системы геотермального теплоснабжения.Далее следует солнечная энергия. Она используется в основном для производства низкопотенциального тепла для коммунально-бытового горячего водоснабжения и теплоснабжения. Преобладающим видом оборудования являются плоские солнечные коллекторы. Все активнее идет преобразование солнечной энергии в электроэнергию. Здесь используются два метода - термодинамический и фотоэлектрический, причем последний лидирует с большим отрывом. Так, суммарная мировая мощность автономных фотоэлектрических установок достигла 500 МВт. Не менее интенсивно развивается использование энергии биомассы. Последняя может конвертироваться в технически удобные виды топлива или использоваться для получения энергии путем термохимической (сжигание, пиролиз, газификация) и (или) биологической конверсии. При этом используются древесные и другие растительные, а также органические отходы, в том числе городской мусор, отходы животноводства и птицеводства. При биологической конверсии конечными продуктами являются биогаз и высококачественные экологически чистые удобрения. Это направление имеет значение не только с точки зрения производства энергии. Пожалуй, еще большую ценность оно представляет с позиций экологии, так как решает проблему утилизации вредных отходов.В последние годы наблюдается возрождение интереса к созданию и использованию малых ГЭС. Они получают во многих странах все большее распространение на новой, более высокой технической основе, связанной, в частности, с полной автоматизацией их работы при дистанционном управлении.

Гораздо меньше развито практическое применение приливной энергии. В мире существует только одна крупная приливная электростанция (ПЭС) мощностью 240 МВт (Ранс, Франция). Еще менее развито использование энергии морских волн. Этот способ использования НВИЭ находится на стадии начального экспериментирования.

38.

Указанные источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, лперехватывающие╗ поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно бьют по карману тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого лэнергетического сырья╗

39

Коэволюция природы и общества. Пути ноосферогенеза.

В самом начале XX века В.И. Вернадский впервые сформулировал утверждение о том, что человек превращается в основную геологопреобразующую силу планеты¹ и чтобы обеспечить свою будущность, ему предстоит взять на себя ответственность за дальнейшее развитие биосферы и общества². Подчеркну — и биосферы, и общества. В результате такого целенаправленного воздействия биосфера перейдет в качественно новое состояние. Это новое СОСТОЯНИЕ биосферы, которое определяется (направляется) деятельностью разума человека, Ле Руа назвал ноосферой. Произошло это в начале 20-х годов на одном из семинаров Бергсона в Париже, когда Вернадский излагал свою концепцию развития биосферы. Позднее термин «ноосфера» широко использовал Тейяр де Шарден. Сам Вернадский использовал этот термин весьма осторожно и лишь в самом конце своей жизни.

Термин «ноосфера» в настоящее время получил достаточно широкое распространение, но трактуется разными авторами весьма неоднозначно. Поэтому в конце 60-х годов я стал употреблять термин «эпоха ноосферы». Так я назвал тот этап истории человека (если угодно, антропогенеза), когда его коллективный разум и коллективная воля окажутся способными обеспечить совместное развитие (коэволюцию) природы и общества. Человечество — часть биосферы, и реализация принципа коэволюции — необходимое условие для обеспечения его будущего. Последнее утверждение вряд ли следует доказывать, ибо как только любой живой вид его нарушает (например, превращается в монополиста в своей экологической нише), то ему угрожают деградация и гибель. Прежде всего из-за разрушения его экологической ниши.

Вопрос о том, наступит ли эпоха ноосферы, то есть о том, сумеет ли человечество согласовать свои обычаи, свое поведение, то есть стратегию своего развития со «стратегией» развития биосферы, остается пока открытым. Последнее условие и есть необходимое условие перехода биосферы в то состояние, которое Ле Руа, интерпретируя рассуждения Вернадского, назвал ноосферой.

Сейчас проблема обеспечения будущности человечества и понимание того, что оно потребует значительных усилий и прежде всего изменения структуры нравов и обычаев, привело к ряду локальных запретов на деятельность людей, заведомо вредную и опасную для развития цивилизации. Так, в 1992 году на международном конгрессе в Рио-де-Жанейро была предпринята попытка сформулировать некую общую позицию, общую схему поведения планетарного сообщества, которая получила название sustainable development, неудачно переведенное на русский язык как «устойчивое развитие».

Этот термин возник не случайно. В 60-х годах при описании экосистем и отдельных популяций я встречал термин «sustainability». Он означал такое развитие популяции, которое согласовано с развитием той экосистемы, к которой она принадлежала. Другими словами, развитие популяции не разрушало экосистемы. Отсюда позднее возник и термин sustainable development, то есть развитие общества, приемлемое для сохранения экологической ниши человека, а значит, и условий для развития цивилизации. Поскольку экологической нишей человечества является вся биосфера, мне представляется наиболее разумным считать его идентичным термину «коэволюция человека и биосферы». Именно поэтому я буду считать разработку стратегии sustainable development определенным шагом к эпохе ноосферы, то есть шагом на пути ноосферогенеза³.

Надо заметить, что понятие коэволюции человека и биосферы само требует тщательной расшифровки. Или более точно — системы исследований, в результате которой мы устанавливаем зависимость характеристик биосферы от активной деятельности человека. Только имея достаточно полное представление о характере этой взаимосвязи, мы сможем сформулировать те ограничения на деятельность человека, которые необходимы для обеспечения его будущего. Я хочу подчеркнуть — необходимые, но заведомо недостаточные. Я думаю, что условий, достаточных для обеспечения будущего цивилизации, просто не существует. Не только на Земле, но и во всем Универсуме ничего не существует вечного!

Изучение проблем коэволюции открывает новое и, возможно, важнейшее направление фундаментальных исследований. Часто говорят, что в отличие от века пара, каким был век XIX, и века ХХ, который был веком электричества и атомной энергии, наступающий век будет веком гуманитарных знаний. Я принимаю такую формулировку, ибо наука об обеспечении коэволюции и есть та комплексная дисциплина, которая должна дать людям знание о том, что необходимо для продолжения существования человечества на Земле и дальнейшего развития его цивилизации.

В настоящее время изучение необходимых условий коэволюции продвинулось в целом ряде конкретных направлений. Так, например, изучение физико-химических особенностей атмосферы позволило установить влияние фреонов на структуру озонового слоя и даже принять важнейшее решение о переориентации холодильной промышленности на другой тип хладонов (см. Монреальский протокол ООН). Постепенно на ряде частных примеров показана огромная стабилизирующая роль биоты в целом и отдельных экосистем. Я бы особенно выделил работы профессора В.Г. Горшкова (С.-Петербург) и профессора Н.С. Печуркина (Красноярск), во многом весьма различные и, как всегда бывает в таких случаях, вероятно, весьма дополняющие друг друга. Еще рано говорить о построении динамики биосферы как стройной теории, способной быть инструментом анализа устойчивости биосферы.

Биосфера представляет собой грандиозную нелинейную систему. Однако до сих пор основное внимание исследователей уделялось изучению отдельных фрагментов этой системы. Я бы позволил себе сказать более жестко: в центре внимания исследователей были прежде всего многочисленные механизмы отрицательной обратной связи. И нетрудно понять, почему именно к ним было приковано внимание исследователей. В самом деле, наиболее концептуально интересен вопрос о стабильности биосферы, ее способности реагировать на внешние возмущения так, чтобы они не выводили ее из состояния установившегося квазиравновесия. Я думаю, что для любого ученого, изучающего биосферу как самостоятельный объект, наиболее интересен вопрос справедливости принципа Ле Шателье. И в этом плане, как мне кажется, в последние десятилетия получены результаты первостепенной важности, которые показали удивительные способности биоты противостоять внешним возмущениям. Однако лишь в определенных пределах, которые еще придется установить.

Но описать особенности эволюции биосферы с помощью одних механизмов отрицательных обратных связей нельзя. Как во всякой сложной развивающейся системе, в ней присутствует и множество положительных обратных связей. Обойтись без них тоже нельзя, поскольку именно положительные обратные связи и являются ключом к развитию системы, то есть усложнению системы и росту разнообразия ее элементов, что приводит к сохранению ее целостности (хотя может привести и к другому состоянию квазиравновесия).

Таким образом, любая сложная саморазвивающаяся система всегда обладает неким набором механизмов, некоторые из которых играют роль положительных, а другие — отрицательных обратных связей. Первые отвечают за развитие системы, рост ее сложности и разнообразие элементов. Вторые — за стабильность (гомеостаз) системы и сохранение уже существующего квазиравновесия. Разделение этих механизмов весьма условно. Однако оно дает качественное представление о характере функционирования сложной развивающейся системы. В настоящее время наибольшее внимание привлекает изучение механизмов отрицательной обратной связи, что, на мой взгляд, достаточно естественно, поскольку человек живет в определенных условиях, к которым он адаптировался. И смена этих условий может оказаться трагичной. Но изучение отдельных механизмов, даже в их сочетании, еще недостаточно для построения теории развития биосферы. А без такой теории говорить о стратегии человечества во взаимоотношениях с биосферой очень трудно и опасно.

Дело в том, что биосфера — система существенно нелинейная, и она даже без активных внешних воздействий способна к кардинальным перестройкам своей структуры. И теория развития биосферы не может считаться полноценной, если не изучено множество ее бифуркационных состояний, условий перехода из одного состояния в другое и структура аттракторов, то есть окрестностей более или менее стабильных состояний.

Однако система уравнений, описывающая функционирование биосферы даже в ее простейшем варианте, столь сложна, что непосредственное использование математических методов (то есть теории динамических систем) представляется крайне сложным. Поэтому пока что единственным эффективным способом анализа может служить эксперимент с компьютерными моделями, имитирующими динамику биосферы.

В 70-х годах группа исследователей (преимущественно из Академии наук СССР) начала систематическое изучение биосферы как единой комплексной системы. Такое исследование возможно только с помощью компьютерной модели, поскольку никаких реальных экспериментов с биосферой человек себе позволить не может. Неожиданно созданная нами вычислительная система пригодилась для вполне практической задачи. Летом 1983 года мы провели в Вычислительном центре Академии наук СССР серию расчетов на завершенной к этому времени компьютерной модели, имитирующей функционирование биосферы. Наша вычислительная система объединила модели атмосферной и океанической циркуляции с моделью биоты (точнее — углеродного цикла) и энергетикой биосферы (потоки солнечной радиации, образование облаков, выпадение снега и т.д.). Мы поставили своей задачей количественную проверку гипотезы К.Сагана о возможной ядерной зиме и ядерной ночи после крупномасштабного обмена ударами водородными бомбами. Замечу, что к этому времени наша система моделей была единственной системой, способной проделать необходимые расчеты. Результаты этих расчетов докладывались на конгрессе в Вашингтоне 1 ноября 1983 года и хорошо известны: они подтвердили гипотезу и дали первые количественные оценки эффекту ядерной зимы (см. монографию: Н.Н. Моисеев, В.В. Александров, А.М. Тарко. Человек и биосфера. - М., 1985). В дальнейшем, в течение 80-х годов мы провели десятки экспериментов с нашей компьютерной системой. Нас интересовали те конечные состояния биосферы, те квазиравновесные состояния, которыми завершится тот или иной эпизод крупномасштабного воздействия человека на биосферу. Результаты, которые мы получали, заставляли задумываться и строить разнообразные гипотезы. Во всех тех случаях, когда интенсивность воздействия превосходила некоторый порог (энергия воздействия порядка 2-3 тысяч мегатонн), биосфера никогда не возвращалась в исходное состояние или даже похожее на исходное. Совершенно иной становилась циркуляция атмосферы, менялась структура океанических течений, структура осадков и, конечно, распределение температур, а значит, и распределение биоты (если она сохранится после катаклизма). Другими словами, Земля после столь мощного воздействия переставала быть похожей на ту Землю, которую мы знаем в четвертичном периоде. И эта новая Земля уже не могла служить ойкуменой человечества: биота сохранится очень обедненной и самое главное без людей! Замечу, что такая качественная перестройка вовсе не требует крупномасштабной ядерной войны: порог устойчивости и переход в новое качественное состояние мог произойти и в результате незначительных, но постоянно действующих возмущений, что и представляется особенно опасным. Эти результаты невольно отсылают нас к идеям синергетики. По-видимому, биосфера может иметь несколько совершенно различных квазистационарных режимов, другими словами, — целый ряд различных аттракторов. И не исключено, что тот процесс эволюции биоты, который привел к появлению homo sapiens, мог быть осуществлен только в окрестности одного из аттракторов. Переход в окрестность другого аттрактора исключит возможность разумной жизни на планете. Таким образом, теория биосферы должна представлять собой не просто совокупность изученных механизмов функционирования отдельных элементов биоты и абиотических составляющих биосферы, взаимодействие которых способно реализовать принцип Ле Шателье (что, разумеется, совершенно необходимо). Для того чтобы обеспечить выживание человечества как вида, обеспечить возможность дальнейшего развития его цивилизации, нам предстоит изучить динамику биосферы как нелинейной системы, изучить структуру ее аттракторов и границы между областями их притяжений. Итак, возникает новая фундаментальная наука. И она носит абсолютно прикладной характер, поскольку эта дисциплина сделается научной базой судьбоносных решений для человечества. Заметим еще раз, что переход биосферы из одного состояния в другое вовсе не обязательно требует мгновенных сверхнагрузок, как при атомных взрывах и последующих пожарах. Катастрофа может подкрасться и незаметно. И стратегия развития человечества не просто должна быть согласована с развитием биосферы, но должна быть такой, чтобы развитие биосферы происходило в нужном для человечества эволюционном канале. Другими словами, обеспечение коэволюции человека и биосферы (или, что то же самое, для реализации стратегии sustainable development) требует развития специальной синтетической научной дисциплины. Работа по созданию такой дисциплины, по существу, уже началась. Ее естественной составляющей является экология. Я подчеркиваю — составляющей, ибо проблемы, которыми сегодня занимается экология, получившая широкое развитие за послевоенные десятилетия, не включают в себя целый ряд вопросов, жизненно важных для будущего, для поисков пути в эпоху ноосферы. И в частности, пока еще не занимается исследованием биосферы как целостной динамической системы. Однако и это лишь одна из глав будущей науки, ибо она прежде всего должна быть наукой гуманитарной. Научная программа разработки принципов коэволюции, или концепции ноосферогенеза, неизмеримо шире тех естественнонаучных и экономических программ, которыми занимаются профессиональные экологи или экономисты. Но разработку принципов ноосферогенеза или поисков пути в эпоху ноосферы нельзя откладывать. Разработка научных основ этой проблемы и ее реализация должны идти параллельно. И по существу эта работа уже началась: появляются первые запреты, основанные на серьезном научном анализе. Тот же самый запрет (Монреальский протокол 1987 г.) на использование хлор- и фторсодержащих хладонов, который приведет к полной перестройке всей холодильной промышленности, уже является одним из тех табу, которыми мировое сообщество защищает себя от разрушения озонового слоя. Развернуты широкие исследования возможных последствий потепления климата из-за увеличения концентрации углекислоты и метана в атмосфере, что, по-видимому, приведет к новой системе запретов.

По мере развития дальнейших исследований неизбежно будет расти количество запретов. И их придется выполнять! Это, может быть, и станет самой трудной задачей, которая когда-либо вставала перед человечеством, поскольку среди запретов появятся и такие, которые будут регламентировать рост народонаселения и вносить новые ограничения в то, что принято называть свободой личности.

По существу, в основе теории ноосферогенеза лежат новые принципы нравственности, новая система нравов, которая должна быть универсальной для всей планеты, при всем различии цивилизаций населяющих ее народов. Когда в начале ХХ века Вернадский произнес вещую фразу о том, что однажды человеку придется взять на себя ответственность за развитие и природы, и общества, вряд ли он думал, что это время наступит столь скоро. В условиях уже наступившего экологического кризиса становится ясной неспособность современного планетарного сообщества с ним справиться. Структура общественного устройства должна претерпеть кардинальные изменения.

Было бы ошибкой сказать, что общество стоит на месте и опирается только на традиционные нравственные начала. Оно уже начало проявлять свою общую волю. Разве не являются примерами те энергосберегающие технологии, которые получили распространение в последние два-три десятилетия? О многом стали не только говорить, но многое стали и делать. Например, произведена очистка Великих Озер и Рейна.

Но все эти действия — лишь самое робкое начало. Да и начало ли, если оно по-настоящему не затрагивает мировоззрения? Глубину непонимания обществом современной ситуации показала конференция в Рио-де-Жанейро 1992 года. Факт проведения подобной конференции на правительственном уровне трудно переоценить — это явление замечательное. Появление термина sustainable development и попытка разработки программ устойчивого развития — тоже некий шаг в нужном направлении. Но не было сказано самого главного: что надо научиться сохранять не только отдельные биологические виды, но и экосистемы, что надо выработать основы демографической политики и что надо, наконец, поставить во главу угла всей научной деятельности проблемы обеспечения коэволюции природы и общества, начать серьезно разрабатывать новую структуру общественных отношений в едином планетарном сообществе и менять структуру общественных ценностей.

Современные «присваивающие» цивилизации возникли в начале голоцена, после неолитической революции. По-видимому, они исчерпали свои возможности, и человечеству предоставляются две альтернативы: либо оно будет продолжать жить по-старому, постепенно совершенствуя свои технологии, либо перейдет к совершенно новому типу цивилизации.

В первом случае его ожидает общепланетарный экологический кризис, борьба за ресурсы, которых заведомо на всех не хватит, тоталитаристское управление «золотого миллиарда» (первые проявления которого мы наблюдаем уже сейчас) и в конечном счете деградация и исчезновение человека как биологического вида.

Вторая альтернатива основывается на гипотезе о том, что человечество сможет опереться на свой коллективный разум и найти пути создания общества, способного к совместному развитию с биосферой, то есть сможет перейти в эпоху ноосферы. И общество это будет качественно отличаться от современного.

Мы не знаем, как будет устроено это общество будущего. И вряд ли стоит гадать! Но мы знаем, что оно потребует от людей высокого уровня интеллигентности и знаний. Прежде всего — знаний о той форме своих взаимоотношений с природой, которая будет способна обеспечить режим коэволюции. Поэтому путь к эпохе ноосферы начинается с разработки образовательных программ — программ, которые будут содержать знания о том, что недопустимо, что может нарушить стабильность Человеческого Дома.

¹ Соотношение ландшафтообразующих факторов — антропогенных и естественных — дают следующие, недавно полученные данные: ежегодно горнодобывающая промышленность США, строительство дорог и других сооружений приводят к перемещению 7,6 млрд т грунта, а все природные явления, главным образом, реки, перемещают не более 1 млрд т породы (New Scientist, 1995. V. 145, №1967, p.11).

² Еще в 70-х годах покойный В.А. Ковда подсчитал, что человечество производит в 2000 раз больше отходов органического происхождения, чем вся остальная биосфера. (Отходами было названо то вещество, которое исключается из кругооборота веществ на время, превышающее жизнь человека.)

³ Наверное, лучше было использовать термин «соразвитие», ибо термин «развитие» предполагает такую форму эволюции, которая связана с усложнением вида и ростом разнообразия его форм. Отказ от развития приводит обычно к деградации вида.

40.

ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГИЯ. Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана. Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

В России к началу нынешнего века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 кВт.

Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

концы лопастей крупной установки двигаясь с большой скоростью создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая – мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.

Типы ветродвигателей

Они делятся на две группы:

1.ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые)

2.ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные и ортогональные).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

ТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛИ.

Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии такая электростанция,ее мощность 160 тыс кило- ватт.