Aby współczesny świat mógł funkcjonować, by mogły pracować wszystkie maszyny, fabryki i ludzie mogli wygodnie i spokojnie żyć, potrzebna jest ogromna ilość energii. Większości tej energii dostarczają surowce energetyczne: ropa naftowa, gaz ziemny, wegiel.
Aby wykorzystać ich energię należy je najpierw spalić. Uzyskana energia może służyć do ogrzewania mieszkań lub napędzania maszyn. Paliwa kopalne dostarczają ludziom ? potrzebnej energii, a tworzyły się przecież przez wiele milionów lat. Ich zasoby mogą się niedługo wyczerpać. Węgiel wydobywany jest z głębi Ziemi od kilkuset lat. Mówi się, ze może go wystarczyć jeszcze na 1000 lat. Ropę naftową wydobywa się dopiero od ok. 100 lat, lecz w ostatnich dziesięcioleciach zużycie jej znacznie wzrosło, głownie przez rozwój motoryzacji. Obliczono, iż za kilkadziesiąt lat ropy może zabraknąć.
Spalanie paliw kopalnych powoduje zanieczyszczenia powietrza, ponieważ wydzielaja się wtedy szkodliwe dla środowiska i człowieka dymy, gazy i pyły. Spalany wegiel zanieczyszcza powietrze drobinkami sadzy. Ponieważ węgiel zanieczyszczony jest siarką, w wyniku spalania oprócz dwutlenku węgla powstaje dwutlenek siarki, który dodatkowo zatruwa środowisko. Pewną ilość dwutlenku węgla pochłaniają rośliny w procesie fotosyntezy, lecz nadmiar gromadzi się nad ziemią i staje się przyczyną efektu cieplarnianego.
Oprócz hut i kotłowni duże ilości węgla zużywają elektrownie. To właśnie w nich energia cieplna uzyskana ze spalenia węgla zamieniana jest na energię wewnetrzną gazu, czyli pary wodnej. Ta z kolei porusza turbiny i przekształca się w energię kinetyczną, która w generatorach zamienia się w energię elektryczną.
Eksploatacja ropy naftowej jest zbyt kosztowna, by ją trwonić, a niestety tak się dzieje. Nawet najnowocześniejsza elektrownie spalające ropę nie może przetworzyć połowy energii zmagazynowanej w ropie na energię elektryczną. Więcej niż połowa bezpowrotnie ucieka do atmosfery jako ciepło. Jeszcze gorzej jest w eksploatacji samochodów: około 70% energii uzyskanej w procesie spalania benzyny w silnikach samochodowych uchodzi do otoczenia w postaci ciepła, a tylko 20 ? 30 % jest rzeczywiście wykorzystane.
Eksploatacja ropy naftowej jest nie tylko kosztowna, ale też niesie ze sobą wiele niebezpieczeństw dla środowiska. Z miejsc jej wydobycia transportowana jest rurociągami lub olbrzymimi statkami ? supertankowcami. Istnieje zawsze niebezpieczeństwo awarii lub rozbicia się statku.
Przyszłością energetyki jest tzw. Energia jądrowa, pochodząca z rozszczepienia jąder atomów uranu. Niestety, po wytworzeniu energii jądrowej pozostają radioaktywne odpady, które są niebezpieczne dla zdrowia istot żywych.
Podczas pracy elektrowni atomowej dzieki osłonom nie następuje napromieniowanie otoczenia. Największe promieniowanie występuje wewnątrz reaktora, dlatego ważne jest, aby osłony ze specjalnych materiałów były stale sprawdzane. Innym problemem jest system chłodzenia reaktorów, w których temperatura podczas pracy stale wzrasta. Awaria systemu chłodzenia może spowodować uszkodzenie reaktora, skażenie gleby i zagrożenie życia tysięcy ludzi, tak jak się zdarzyło w Czarnobylu.
Dane statystyczne wskazują, że aż około 90 % produkowanej na świecie energii elektrycznej wytwarza się przy użyciu paliw kopalnych i przemian jądrowych.
Istnieją również przyjazne dla środowiska sposoby pozyskania energii. Wykorzystuje się do tego celu: wodę, wiatr, słońce, niektóre rośliny.
Woda ma olbrzymie zasoby energii. Od zarania dziejów drążyła doliny, przecinała góry i formowała całe obszary lądowe. Tę siłe można wykorzystywać.
Już ok. 2000 lat temu wykorzystywano siłę przepływającej wody, np. w młynach, do obracania kół młyńskich. W niektórych średniowiecznych klasztorach za pomocą koła napędzano nie tylko młyny, lecz także, dzieki systemowi osi i kół zębatych, duże maszyny kuchenne służące do wyciskania, mieszania i zagniatania.
Energia wody musiała być wykorzystana w miejscu jej wytwarzania ? to było wadą. Dziś w elektrowniach wodnych przetwarza się energię mechaniczną wody na energię elektryczną, którą przesyła się przez sieć energetyczną. Ponad 6 % energii potrzebnej ludziom jest wytwarzana w taki sposób. Wodzie nie grozi wyczerpanie się tak jak paliwom kopalnym.
Od tysięcy lat energia wiatru w wiatrakach była wykorzystywana do pompowania wody lub mielenia ziarna. Za pomocą wiatru napełniano kanały nawadniające pola. Energia wiatru służyła też jako napęd dla żaglowców.
Współczesne elektrownie wiatrowe nie służą już do wytwarzania energii mechanicznej, lecz do produkcji energii elektrycznej. Podstawową rolę w tych elektrowniach pełnią najrozmaitszych kształtów gigantyczne wiatraki z łopatkami o szerokości dochodzącej do kilkudziesięciu metrów. Wiatraki te napędzają generatory prądu, kierując w ten sposób powstały prąd bezpośrednio do sieci lub akumulują go w akumulatorach na okres, gdy siła wiatru bardzo osłabnie.
Energia słoneczna, tzw. solarna, także może być bezpośrednim źródłem energii dzieki zastosowaniu ogniw solarnych. Ogniwo solarne to płaska płytka, składająca się z dwóch bardzo cienkich warstw. Padające na nią promienie słoneczne powodują powstanie prądu elektrycznego przesyłanego do obwodów elektrycznych lub akumulatorów. Ogniwa solarne są stale udoskonalane.
Energia słoneczna może być wykorzystana nie tylko do wytwarzania energii elektrycznej, ale również do ogrzewania domów i mieszkań dzięki zastosowaniu kolektorów słonecznych. Nie wytwarzają one energii elektrycznej, lecz podgrzewają wodę. Najprostszym przykładem kolektora są rury wypełnione wodą, umieszczone na dachach domow w płaskich skrzynkach z czarnym tłem i szklaną górną płytą. Szklana lub lustrzana płyta w dachu przeciwdziała odpływowi ciepła promieni słonecznych. Rurami doprowadzana jest zimna woda, zaś ogrzana opływa wszystkie pomieszczenia dając ciepło i gorąca wodę do mycia.
W niektórych miejscach na ziemi, zwłaszcza w pobliżu uskoków geologicznych, wrząca woda lub para wytryskuje na powierzchnię jako gejzery. Są to źródła geotermiczne. Krainą gejzerów jest Islandia, Reykjaviku, są ogrzewane energią gorących źródeł tryskających z głębi ziemi. Regularnie pracujące elektrownie geotermiczne wybudowano w niektórych miejscowościach we Włoszech, Nowej Zelandii, Japonii i USA. Elektrownie te działają w prosty sposób. Wykonuje się dwa odwierty w głąb Ziemi, w gorącą warstwę skalną. W jeden odwiert wpompowuje się pod ciśnieniem zimną wodę, która się rozgrzewa, zamienia w gorącą parę i drugim odwiertem dociera na powierzchnię, gdzie, jak w każdej innej elektrowni, napędza turbiny wytwarzające prąd.
Bardzo korzystna jest dla środowiska energia pozyskiwana z odnawialnych surowców pochodzenia roślinnego, tzw. bioenergia. Pochodzi ona głownie z roślin i odchodów zwierzęcych, przez wytwarzanie tzw. biogazu., głównie metanu. Gaz ten powstaje podczas rozkładu substancji organicznych gdy ów proces przebiega bez dostępu powietrza.

Silniki cieplne mają za zadanie przekształcić energię wewnętrzną w energię mechaniczną. Najczęściej ciepło pochodzące ze spalania paliwa jest dostarczane do gazu roboczego, który rozprężając się wykonuje pracę wprawiając w ruch jakiś mechanizm. Rozprężanie gazu nie może się odbywać nieograniczenie, ponieważ silnik ma skończone rozmiary. Dlatego gaz musi być z powrotem sprężony, tak, aby wszystkie części silnika wróciły do stanu wyjściowego. Po czym cykl przemian powtarza się i za każdym razem silnik wykonuje pracę. Taki proces termodynamiczny, po którym układ wraca do stanu wyjściowego, po wykonaniu szeregu pośrednich przemian, nazywamy cyklem termodynamicznym lub procesem kół. Silnik parowy, parowy silnik tłokowy, silnik cieplny. Wewnętrzna energia rozprężającej się pary wodnej przekształca się w nim w pracę mechaniczną za pośrednictwem tłoka poruszającego się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze, do którego doprowadza się z zewnątrz pod ciśnieniem parę wytworzoną w oddzielnym kotle. Istnieją silniki o działaniu jednostronnym lub dwustronnym oraz o pojedynczym albo kilkakrotnym rozprężaniu pary. Silnik spalinowy, silnik cieplny spalania wewnętrznego, w którym energia spalania mieszanki paliwowo-powietrznej zamieniana jest na ruch obrotowy wału korbowego (silnik tłokowy) lub turbiny (silnik turbinowy).

Silniki cieplne wykonują pracę dzięki przepływowi ciepła, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Przepływ ciepła między ciałami jest możliwy tylko wówczas, gdy istnieje różnica temperatur między nimi. Stąd silnik cieplny musi pobierać ciepło ze źródła i oddawać jego część chłodnicy. Sprawność silnika cieplnego określa się jako iloraz pracy uzyskanej w nim dzięki pobranemu ze źródła ciepłu i wartości tego ciepła. Ponieważ substancja robocza oddaje część pobranego ciepła chłodnicy, pobrana praca jest mniejsza od ciepła pobranego, a więc sprawność silnika cieplnego nie może być całkowita (praktycznie najlepsze silniki cieple mają sprawność rzędu 30 – 40%). Sprawnością silnika cieplnego nazywamy stosunek procentowy ilości wykonanej przez silnik pracy do ilości pobranego ze źródła ciepła.
k = W/Q1 100%.

Zasada działania silników cieplnych i ich podział.

Przez silnik cieplny przepływa substancja charakteryzująca się dużymi zmianami objętości właściwej przy zmianach temperatury i ciśnienia, zwana czynnikiem pracującym. Ze względu na rodzaj czynnika pracującego silniki dzieli się na: spalinowe i parowe. Ze względu na sposób wykorzystania energii czynnika silniki dzieli się na: tłokowe, turbinowe i odrzutowe.

Jak działają silniki cieplne?
Silnik cieplny jest to urządzenie wytwarzające energię mechaniczną oraz elektryczną z energii cieplnej. Czynnikiem pracującym w silniku cieplnym jest ciecz, która charakteryzuje się dużymi zmianami objętości właściwej wraz ze zmianą temperatury i ciśnienia. W zależności od tego, jaki jest rodzaj czynnika pracującego, można rozróżnić silniki spalinowe i parowe. Różne są także sposoby przekształcania energii cieplnej na mechaniczną: tłokowe, turbinowe oraz odrzutowe.

Silnik parowy to najprostszy silnik cieplny. Czynnikiem pracującym jest para wodna, której energia zostaje przekształcona na energię mechaniczną za pomocą tłoka lub wirnika. W silnikach tłokowych para oddziałuje bezpośrednio na tłok, i przesuwając go oddaje mu swoją energię w postaci energii mechanicznej. Ruch tłoka, który jest prostoliniowy, jest przenoszony na ruch obrotowy wału za pomocą mechanizmu korbowego. W silnikach wirnikowych energia z pary przekształcana jest pośrednio: najpierw oddawana jest wirnikowi w postaci energii kinetycznej, a dopiero następnie jest ona przekształcana na pracę mechaniczną wału.

Silnik spalinowo – tłokowy to silnik, w którym energia cieplna paliwa jest przekształcana na pracę mechaniczną za pomocą posuwisto – zwrotnego ruchu tłoka. Silniki takie nazywa się silnikami suwowymi. Suwem tłoka jest przesunięcie tłoka pomiędzy dwoma kolejnymi położeniami, po których następuje zmiana ruchu. Ilość takich ruchów, czyli suwów tłoka, po których zostaje zakończony pełny cykl silnika, może być 2 (silniki dwusuwowe) lub cztery (silniki czterosuwowe). Obecnie stosowane są silniki 4 – suwowe, gdyż mają one dużo większą sprawność. Zaletą silników dwusuwowych jest jednak ich bardzo prosta konstrukcja.
Paliwo w silniku spalinowym tłokowym jest doprowadzane do cylindra. W zależności od rodzaju silnika jest to mieszanka paliwa ciekłego i powietrza (silniki gaźnikowe), mieszanka gazu i powietrza (silniki gazowe) lub czyste paliwo, wtryskiwane do cylindra ze sprężonym powietrzem (silniki wtryskowe). Paliwo jest zapalane za pomocą iskry elektrycznej (zapłon iskrowy) lub rozżarzonego elementu głowicy (głowica żarowa). W niektórych silnikach zapłon następuje samoczynnie w wyniku sprężania paliwa tak, aby jego temperatura przekroczyła temperaturę samozapłonu.

Silnik spalinowy turbinowy przekształca energię cieplną paliwa na pracę za pomocą turbin. W silniku takim występuje, co najmniej jedna turbina, zwana turbiną napędową, która wykonuje pracę użyteczną. Silniki turbinowe konstruuje się zazwyczaj tak, że spalanie odbywa się wewnątrz, w komorze spalania. Powietrze potrzebne do spalenia paliwa jest pobierane z otoczenia i sprężane za pomocą sprężarki wirnikowej. Spaliny, sprężone do odpowiedniego ciśnienia i temperatury (wyższych od temperatury otoczenia), wytwarzane są za pomocą wirnikowej lub tłokowej wytwornicy spalin. W wirnikowej wytwornicy spalin sprężone powietrze jest wstrzykiwane do komory spalania. Jednocześnie do komory jest wprowadzane za pomocą wtryskiwacza paliwo. Spaliny są rozprężane w turbinach, a następnie wydalane do otoczenia. Aby uzyskać w takim silniku dużą moc, stosuje się sprężarki oraz turbiny osiowe. Gdy wystarcza mała moc silnika, stosuje się sprężarki promieniste i turbiny osiowe (lub promieniste).
W silnikach spalinowych turbinowych cykl może odbywać się z odzyskiwaniem ciepła lub nie. Cykl z odzyskiwaniem ciepła polega na ogrzewaniu sprężonego powietrza ciepłem ze spalin, które wypływają z turbiny. Jeśli ciepło nie jest odzyskiwane, temperatura paliwa wzrasta tylko w wyniku procesu spalania w komorze.
Silniki odrzutowe to silniki o największej mocy. Służą one do napędzania samolotów oraz rakiet. W silnikach spalinowych siła reakcji strumienia spalin, wypływających z dyszy silnika, jest wykorzystywana bezpośrednio. Siłę spalin wychodzących z dyszy określa się ciągiem silnika.

Silniki odrzutowe zazwyczaj pobierają tlen potrzebny do spalenia paliwa z atmosfery (silniki przelotowe). Nie jest tak w przypadku silników do rakiet kosmicznych, gdyż w próżni nie ma tlenu. Powietrze w silnikach przelotowych jest sprężane adiabatycznie w części wlotowej silnika, za pomocą zmniejszania szybkości przepływu. Dalej powietrze może być sprężane na sprężarce (osiowej lub promienistej). Następnie przedostaje się ono do komory spalania (spalanie izobaryczne).

Carnot i jego silnik
Maszyny parowe już pracowały, gdy młody francuski inżynier Sadi Carnot opracował teorię silników cieplnych. Przedstawił zasadę działania silnika, który powinien pracować najekonomiczniej, bo wykorzystuje tylko procesy odwracalne. Ten teoretyczny model nazwany został później silnikiem Carnota, ale w żadnym wypadku nie miał to być nowy typ silnika. Carnot chciał dociec, dlaczego silniki nie zamieniają całego ciepła w pracę użyteczną. Udowodnił, że nawet wyeliminowanie wszelkich procesów nieodwracalnych (tarcie tłoka, rozpraszanie energii cieplnej) nie doprowadzi do ich 100 – procentowej sprawności. II zasada termodynamiki pozornie została złamana, przyroda dała się podejść i dlatego sprawność mniejsza niż 100% to cena, jaką nam wystawiły prawa fizyki.

Energia wiatru
Wiatr jest odnawialnym źródłem energii. Jest to ruch powietrza spowodowany różnicą gęstości ogrzanych mas powietrza i ich przemieszczaniem ku górze. Powoduje to różnicę ciśnień, a naturalna tendencja do ich wyrównywania powoduje powstawanie wiatru.
Światowe zasoby energii wiatru, które nadają się do wykorzystania z technicznego punktu widzenia, to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii jest 4 razy większa niż wynosiło globalne zużycie energii elektrycznej w 1998 roku.
Najbardziej istotną cechą energii wiatrowej jest jej duża zmienność, zarówno w przestrzeni (geograficzna) jak i w czasie. Zmienność wiatru w czasie dotyczy bardzo szerokiej skali czasu – od sekund do lat. Wyróżnia się następujące rodzaje zmienności w czasie:
Wieloletnią. Na niektórych obszarach obserwuje się wyraźne trendy zmian (prawdopodobnie związane z postępującymi zmianami klimatycznymi). Na ogół występują wyraźne różnice o charakterze przypadkowym między kolejnymi latami, także wtedy, gdy badamy uśrednione warunki wiatrowe na dużych obszarach. Przypadkowa zmienność wiatru w tej skali czasu przekłada się na problemy w prognozowaniu i planowaniu pracy systemu elektroenergetycznego w odpowiednim horyzoncie czasowym.
Roczną. W warunkach Polski średnia siła wiatru jest bardzo mocno zróżnicowana w zależności od pory roku. Rysunek poniżej pokazuje jak w warunkach duńskich wygląda typowy rozkład energii wiatru dla poszczególnych miesięcy roku (polskie wybrzeże ma prawdopodobnie zbliżony rozkład). Istotne jest, że zmienność energii wiatru w tej skali czasu jest dość dobrze przewidywalna. To pozwala wystarczająco dokładnie prognozować wielkość energii, która zostanie wyprodukowana w ciągu roku. Innym ważnym wnioskiem jest to, że energia wiatru jest największa w miesiącach od listopada do marca, czyli wtedy, gdy w warunkach polskich jest ona najbardziej potrzebna.

Energia wiatru w poszczególnych miesiącach roku (wykres powstał na podstawie pomiarów na terenie Danii, ale jest wspólny dla klimatu umiarkowanego).
Synoptyczną. Zmienność kilkudniowa związana ze zjawiskami atmosferycznymi dużej skali (przesuwanie się ośrodków wyżowych i niżowych). Zmienność ta ma charakter przypadkowy i jest trudno przewidywalna.
Dobową. W wielu miejscach pomiary prędkości wiatru wykazują cykliczność o okresie jednej doby. Jest ona związana z lokalnymi powtarzającymi się zjawiskami termicznymi (np. nagrzewaniem się ziemi w ciągu dnia, oziębianiem w nocy i wywołany tym ruch powietrza). W warunkach Polski należy oczekiwać dość dobrego dopasowania się zmian dobowych energii wiatru do zmian zapotrzebowania w sieci. Najmniejsza energia wiatru występuje w nocy, maksimum w środku dnia. Zmienność wiatru w skali czasu synoptycznej, dobowej i minutowej ma wpływ na prowadzenie ruchu systemu.
Minutowa, sekundową. Za te zmiany odpowiadają turbulencje i podmuchy wiatru, przechodzący front burzowy itp. Tego typu zmiany mają charakter przypadkowy, są nieprzewidywalne i należy je traktować jako zakłócenia. Minimalizacje niekorzystnego wpływu zakłóceń wiatru na prace elektrowni wiatrowej mogą zapewnić odpowiednie układy regulacji. Zjawiska powodujące zmienność sekundową są słabo skorelowane nawet w obrębie jednej farmy. Dlatego moc całej farmy wiatrowej wykazuje mniejsze względne zmiany mocy niż pojedyncza siłownia wiatrowa. Zmienność sekundowa ma wpływ na jakość energii.
Gdybyśmy chcieli odzyskać całą energię, jaką niesie wiatr, powietrze nie mogłoby opuścić wirnika. Nie uzyskalibyśmy wtedy jednak żadnej energii, gdyż powietrze nie mogłoby również wpaść w obszar wirnika. Okazuje się, że najbardziej efektywna jest turbina, która spowalnia wiatr do 2/3 jego początkowej prędkości. Aby to zrozumieć musimy sięgnąć do podstawowego prawa aerodynamiki turbin wiatrowych – prawa Betz’a.
Prawo Betz’a
Załóżmy, że średnia prędkość wiatru przechodzącego przez obszar wirnika jest średnią prędkości niezakłóconego wiatru przed wirnikiem v1 i prędkości wiatru po przejściu przez wirnik v2, czyli (v1+v2)/2. Masa powietrza płynącego przez wirnik w czasie jednej sekundy wynosi:
m = rF(v1+v2)/2
gdzie: m – masa na sekundę; r – gęstość powietrza; F – powierzchnia zakreślana przez wirnik; (v1+v2)/2 – średnia prędkość wiatru przechodzącego przez wirnik. Moc odbierana od wiatru przez wirnik, zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona:
P = (1/2) m (v12 – v22)
Podstawiając za masę wyrażenie z poprzedniego równania otrzymamy:
P = (r/4) (v12 – v22) (v1+v2) F
Teraz porównajmy ten rezultat z całkowitą mocą niezakłóconego przepływu powietrza przez taką samą powierzchnię F; nazwijmy ją Po
Po = (r/2) v13 F
Rozpatrzmy teraz takie równanie:
(P/Po) = (1/2) (1 – (v2 / v1)2) (1 + (v2 / v1))
Okazuje się, że wykres funkcji (P/Po) = f(v2 / v1) osiąga maksimum równe 0,59 dla (v2 / v1) = 1/3. Oznacza to, że idealna turbina wiatrowa spowolni wiatr do 1/3 jego pierwotnej wartości i odzyska 59 % energii w nim zawartej.
Moc wiatru zmienia się proporcjonalnie do trzeciej potęgi jego prędkości. Zgodnie z prawem Betz’a maksymalna teoretyczna sprawność zamiany mocy wiatru na moc mechaniczną wynosi 59,3%. Turbiny wiatrowe wykorzystują mniej niż 50% mocy wiatru. Jeżeli przyjmiemy, że gęstość prawdopodobieństwa prędkości wiatru jest opisana rozkładem Weibulla (założenie słuszne dla typowej lokalizacji elektrowni wiatrowej) i uwzględnimy proporcjonalność mocy wiatru do sześcianu jego prędkości to uzyskamy funkcje rozkładu gęstości mocy.

Rozkład gęstości mocy w funkcji wiatru.
W związku z zależnością od sześcianu prędkości, natura wiatru ma zasadniczy wpływ na wszystkie aspekty procesu konwersji energii wiatru na energię elektryczną, począwszy od wyboru lokalizacji i wyznaczania opłacalności inwestycji, poprzez rozwiązania techniczne turbin, przekładni mechanicznych i generatorów aż po problemy integracji z siecią elektroenergetyczną.

Roczna produkcja energii w elektrowni wiatrowej w zależności od średniorocznej prędkości wiatru (elektrownia GE Wind Energy 1.5s, 1500 kW).
Energia słoneczna

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

Najbezpieczniejsza ze wszystkich istniejących źródeł energii. Energia słoneczna wytwarza promieniowanie słoneczne, którego tylko 50% dociera do powierzchni Ziemi. . Zaś druga połowa, z której 30% promieniowania dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę oraz 20% jest przez nią pochłaniane. Wiele pożarów w gorących regionach Ziemi jest wywołanych przez ogniskowanie promieni słonecznych w porannej rosie. Już 400 lat p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą do rozniecania ognia. Chińczycy 200 lat p.n.e. wykorzystywali zakrzywione zwierciadła do skupiania promieni słonecznych. W nowoczesnych kuchenkach słonecznych skupiane promienie służą do podgrzewania żywności. Zakrzywiony koncentrator ogniskuje promienie słoneczne na produktach. Niektóre kuchenki, zamiast zakrzywionego zwierciadła, wykorzystują płaskie reflektory, ustawione pod odpowiednim kątem. Podobna technika jest stosowana w piecach przemysłowych. W Mont Louis, we Francji wielopiętrowa konstrukcja małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę do 3000°C – właściwą do obróbki wielu metali.

Wszystkie domy są ogrzewane przez słońce, ale tylko niektóre są skonstruowane w taki sposób, aby uzyskać jak najwięcej energii cieplnej. Umożliwia to znaczną redukcję zapotrzebowania energii. W takich domach duże okna projektuje się od strony najbardziej nasłonecznionej, a małe od przeciwnej. W niektórych rozwiązaniach stosuje się zasłony izolujące ciepło, które zamykane na noc nie pozwalają na ucieczkę ciepła nagromadzonego za dnia. Takie rozwiązanie jest tzw. systemem pasywnym. Inne zastosowanie energii słonecznej w domu polega na podgrzewaniu wody. Promienie słoneczne podgrzewają wodę, która przepływa przez płaskie panele tworzące radiatory absorbujące ciepło. Te panele umieszcza się zazwyczaj na dachu domu, pod kątem zapewniającym największy pobór ciepła słonecznego. Zimna woda jest pompowana do paneli i tam podgrzewana przez ciepło absorbowane z promieni słonecznych.

Baterie słoneczne
Baterie słoneczne są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne do zamiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża liczba ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z cienkich warstw półprzewodników, zwykle z krzemu. Czasem wykorzystuje się arszenik galu, ponieważ pozwala na pracę ogniw w wysokich temperaturach. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze. Baterii używa się również w małych kalkulatorach i zegarkach.

W 1981 r. słoneczny samolot Solar Chalenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny. Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.

Samochód na baterie słoneczne jeszcze nie porusza się po drogach świata. Wciąż te energooszczędne pojazdy są prototypami, na tyle drogimi i nieużytecznymi w miejscach, gdzie nie docierają promienie słoneczne, że wielkie koncerny samochodowe nie wprowadzają takowych w obieg. Można jedynie zadać sobie pytanie czy jest to spowodowane stosunkowo krótką trwałością, czy też koncerny paliwowe wywierają tak duży nacisk, iż środowisko nie może być chronione w lepszy sposób? I my jako ludzie nie możemy być zdrowsi, nie ulegać np. alergii, która jest coraz bardziej dotkliwa dla człowieka? Dzięki zmniejszeniom ilości spalin wydzielanych przez samochody poruszające się w naszym otoczeniu, możemy obronić się przed tak groźnym zjawiskiem.

Energia w odległych regionach W odległych regionach baterie słoneczne są używane, na co dzień w domu. Energia słoneczna służy do ładowanie akumulatorów, co umożliwia korzystanie z energii elektrycznej również w nocy. Ogniwa słoneczne są niezawodne. Raz zamontowane nie wymagają konserwacji przez wiele lat. W Wielkiej Brytanii niektóre niezamieszkane domy są zasilane energią słoneczną. Także stacje meteorologiczne korzystają z baterii słonecznych. Ilość energii pochodząca z baterii słonecznej nie zależy od temperatury otoczenia, a od nasłonecznienia. Dlatego też jest możliwe, aby latarnia o mocy 360 kW na lądowisku samolotów pracowała na zamarzniętej Alasce.

Ogniwa słoneczne były wykorzystywane w komunikacji satelitarnej od lat 60. Najnowsza technologia ogniw fotowoltaicznych ma być zastosowana w stacji kosmicznej Freedom, konstruowanej w Stanach Zjednoczonych. Ma być ona wyposażona w osiem skrzydeł fotowoltaicznych, które umożliwią wytworzenie energii elektrycznej o mocy 75 kW. Możliwe, że w następnym stuleciu, dzięki projektowi amerykańskiego inżyniera dr Petera Glasera będziemy korzystać z energii dostarczanej z przestrzeni kosmicznej. Ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę okołoziemską zestawu 40 satelitarnych elektrowni słonecznych (SPS – Solar Power Satelites), wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych. Wytworzona elektryczność ma być zamieniana na promieniowanie mikrofalowe, transmitowane do odbiorników na Ziemi, gdzie nastąpi znowu zmiana mikrofal w prąd elektryczny. Zdaniem Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej 40 SPS-ów zaspokoi jedną czwartą zapotrzebowania na energię elektryczną Zjednoczonej Europy do 2040 roku. Niestety, mikrofalowe wiązki energii z satelitarnych elektrowni słonecznych spaliłyby wszystkie napotkane na drodze niemetalowe przedmioty oraz żywe istoty. Wielu naukowców uważa jednak, że w niedalekiej przyszłości będziemy korzystać z energii wytworzonej w przestrzeni okołoziemskiej.

Energia geotermalna Jest to energia zmagazynowana w gruntach, skałach i płynach wypełniających pory i szczeliny skalne. Stale uzupełnia ją strumień ciepła przenoszonego z gorącego wnętrza Ziemi ku powierzchni, dlatego jest niewyczerpalna. Ciepło we wnętrzu Ziemi jest częściowo ciepłem pierwotnym, które powstało w trakcie formowania się naszej planety, a częściowo jest ciepłem pochodzącym z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych takich jak uran, tor czy potas. Temperatura zwiększa się z głębokością, w jądrze Ziemi osiągając nawet 6000 stopni. Pierwszy zakład geotermalny produkujący prąd elektryczny powstał w 1904 r. w Larderello we Włoszech. Obecnie elektrownie takie działają w wielu krajach między innymi na Islandii, Nowej Zelandii, Filipinach, USA, Japonii, Rosji. Energię geotermalną wykorzystywano już od zarania dziejów (Chiny, Japonia, Rzym). Pierwsze grzewcze instalacje geotermalne powstały w USA (Klamath Falls) i na Węgrzech już w 1890 roku. Na szerszą skalę zaczęto energię geotermalną wykorzystywać od lat 70-tych, od czasów “kryzysu paliwowego”. Obecnie wykorzystuje się ją głównie do ogrzewania mieszkań. Największym obszarem ogrzewanym od 1930 roku energią geotermalną jest Reykiawik liczący 145 000 mieszkańców. Na dużą skalę energię geotermalną do celów grzewczych wykorzystuje się również we Francji, USA, Niemczech, Węgrzech i Włoszech.

Największymi elektrowniami geotermalnymi są:
•Geyers w Kalifornii – 502 MW
•
•Lardarello we Włoszech – 390 MW
•
•Wairakei w Nowej Zelandii – 290 MW
•
•Cerro Prieto w Meksyku – 75 MW

Polska posiada bogate zasoby wód geotermalnych o temperaturze 30-120 stopni.
Przykładem wykorzystania są ciepłownie w Pyrzycach i Bańskiej Niżnej na Podhalu, gdzie został wybudowany Doświadczalny Zakład Geotermiczny.
Woda o temperaturze 86 stopni służy do ogrzewania około 200 budynków, szklarni, dwóch basenów, suszarni drewna. Obecnie trwa rozbudowa sieci i planuje się doprowadzenie jej do Szaflar, Zakopanego i Nowego Targu.

Węgiel brunatny to skała osadowa pochodzenia organicznego roślinnego powstała w trzeciorzędzie w erze kenozoicznej ze szczątków roślin obumarłych bez dostępu powietrza.
Często stosowany jako paliwo. Węgiel brunatny jest nieodnawialnym źródłem energii. Węgiel brunatny używany jest na rynkach lokalnych, ponieważ przewożenie go na duże odległości powoduje duże straty surowca, co znacznie zwiększa koszt jego wykorzystania. Skutkiem tego elektrownie opalane węglem brunatnym najczęściej stawia się w pobliżu złóż, a surowiec z kopalni węgla brunatnego dostarczany jest do nich przenośnikami taśmowymi.
Przez wieki jego popularność jako paliwa w domowych piecach rosła szybko. Lecz miękki, łatwo dostępny węgiel miał tę niedogodność, że podczas spalania wydzielał wielkie ilości zanieczyszczeń w postaci dymu i sadzy. Zużycie węgla wzrosło gwałtownie w XVIII wieku w następstwie rewolucji przemysłowej. Powszechnie używano go jako paliwa do silników parowych. A także jako surowca do wytwarzania koksu, materiału użytecznego w metalurgii oraz wykorzystywanego jako paliwo.

Węgiel kamienny- skała osadowa pochodzenia roślinnego, powstała w karbonie (era paleozoiczna). Ma czarną barwę, jest matowy. Węgiel kamienny stosowany jest powszechnie jako paliwo. Jest paliwem kopalnym, zalegającym na różnych głębokościach, ma zróżnicowaną strukturę i różną wartość kaloryczną, co rzutuje na koszty jego wydobycia i opłacalność eksploatacji. 60% światowego wydobycia węgla spalanych jest w elektrowniach, 255 przetwarzanych w koksowniach, a 15% zużywają pozostałe gałęzie przemysłu oraz ludność.

Ropa naftowa jest surowcem kopalnym, węglowodorem. Zbierająca się w porowatych skałach pod powierzchnią ziemi ropa naftowa nazywana bywała dawniej olejem skalnym. W normalnych warunkach ponad złożem ropy tworzy się warstwa zawierająca gaz ziemny. W pewnych warunkach ropa naftowa przesiąka do powierzchni ziemi, gdzie jej bardziej lotne frakcje odparowują , pozostawiając oleiste , na wpół stałe substancje jak np. asfalt. Wiele różnych substancji, włączając w to benzynę i naftę, otrzymuje się z ropy naftowej w trakcie procesu destylacji frakcyjnej, czyli retyfikacji.

Gaz ziemny jest najbardziej ekologicznym paliwem, wygodnym w przesyłaniu i dystrybucji. Należy do paliw kopalnych, występuje w porowatych skałach osadowych, a pozyskuje się go technikami otworowego wydobycia. Jest to paliwo kopalne pochodzenia organicznego, gaz zbierający się w skorupie ziemskiej w pokładach wypełniających przestrzenie, niekiedy pod wysokim ciśnieniem. Pokłady gazu ziemnego występują samodzielnie lub towarzyszą złożom ropy naftowej lub węgla kamiennego. Zawartość składników jest zmienna i zależy od miejsca wydobycia, jednak głównym składnikiem stanowiącym ponad 90% gazu ziemnego jest zawsze metan. Oprócz niego mogą występować niewielkie ilości etanu, propanu, butanu i innych związków organicznych i mineralnych.

Odnawialne źródła energii to takie, których używanie nie wiąże się z długotrwałym ich deficytem. Najważniejszym ze źródeł odnawialnych jest energia spadku wody. Pozostałe źródła odnawialne – energia słoneczna, energia wiatru, biomasy, biogazu, pływów morskich, energia geotermalna i inne – są używane na mniejszą skalę. Energia odnawialna jest przez niektóre środowiska przedstawiana jako synonim energii przyjaznej dla środowiska. Nie jest to jednak pełny obraz. Ze stosowanych dziś na dużą skalę źródeł energii najmniejszy efekt ekologiczny ma energetyka jądrowa, duże szkody wyrządzają zaś zarówno energetyka oparta na surowcach kopalnych – głównie w postaci zanieczyszczeń atmosferycznych, jak i na energii spadku wody – przez zmiany w ekosystemach spowodowane utworzeniem zapór i sztucznych zbiorników wody.

Energia słoneczna-Słońce, jedna z miliarda gwiazd, jest źródłem energii wszystkich znanych istot żyjących na Ziemi. Energia słoneczna docierająca na Ziemię w ciągu 40 minut pokrywałaby zapotrzebowanie całoroczne człowieka.Promieniowanie słoneczne: około 30% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę. 20% jest przez nią pochłaniane , a tylko 5% energii dociera do powierzchni ziemi.
Ogrzewanie domów:
wszystkie domy są ogrzewane przez słońce, ale tylko niektóre są skonstruowane w taki sposób, aby uzyskiwać jak najwięcej energii cieplnej. Umożliwi to znaczną redukcję zapotrzebowania energii. W takich domach projektuje się duże okna od strony najbardziej nasłonecznionej, a małe od przeciwnej. W niektórych rozwiązaniach stosuje się zasłony izolujące ciepło, które zamykane na noc nie pozwalają na ucieczkę ciepła nagromadzonego w dzień. Takie rozwiązanie jest tzw. Systemem pasywnym. Inne zastosowania energii słonecznej w domu polega na podgrzewaniu wody. Promienie słoneczne podgrzewają wodę, która przepływała przez płaskie panele tworzące radiatory absorbujące światło. Zimna woda jest pompowana do paneli i tam podgrzewana przez ciepło absorbowane z promieni słonecznych.
Baterie słoneczne:
Są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaniczne do zamiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd , ale duża liczba ogniw , wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użyteczne mocy. Ogniwa są zbudowane z cienkich warstw półprzewodników , zwykle z krzemu. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej , gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze. Baterii używa się również w małych kalkulatorkach i zegarkach.
Energia wiatru- energia elektryczna uzyskiwana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wykorzystanie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa. Aby uzyskać 1 MW (megawat) mocy, wirnik takiej turbiny powinien mieć średnicę ok. 50 metrów. Ponieważ duża konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet gigawata tj. 1000MW, to jej zastąpienie wymagałoby użycia nawet do 1000 takich generatorów wiatrowych. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe, składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin. Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz. Dlatego też przyszłość elektrowni tego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny są doskonałym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych , gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną.

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

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

Energia spadku masy wody (hydroenergia)- już od dawna jest wykorzystywana przez człowieka. Dawniej siła spadku wody poruszała młyny, warsztaty sukiennicze, garbarnie, z czasem również elektrownie wodne .Do jej pozyskiwania wykorzystywana jest energia wody również dzisiaj. Energia wodna , należąca do zasobów odnawialnych, umożliwia rozwój transportu wodnego, uprzemysłowienie krajów pozbawionych surowców energetycznych i nawadnianie terenów rolniczych. Jest ona opłacalna w krajach dysponujących odpowiednimi warunkami terenowymi, czyli wystarczająco dużymi różnicami wzniesień , w takich jak: Norwegia, Szwecja, Szwajcaria oraz niektóre kraje Ameryki: Meksyk, Brazylia, Argentyna.

Energia nuklearna- w latach ‘50 wzbudziła wszelkie nadzieje na rozwiązanie problemów energetycznych. Sądzono , że jej produkcja będzie wkrótce nieograniczona, tania, czysta i niegroźna. Pierwsza elektrownia powstała w 1955 r. Na Ukrainie. W 1956 r. Angielska królowa Elżbieta II uruchomiła pierwszą brytyjska elektrownię atomową w Calder Hall, a w następnych latach w bogatszych krajach powstały setki reaktorów jadrowych, które jak np. we Francji- dostarczają 75% energii. Poważnym potencjałem energii z własnych elektrowni nuklearnych dysponują: Francja, Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, Szwajcaria, Szwecja, Rosja, Ukraina, Litwa, Armenia.

Energia biomasy- poprzez fotosyntezę energia słoneczna jest akumulowana w biomasie, początkowo organizmów roślinnych, później w łańcuchu pokarmowym także zwierzęcych. Energię zawartą w biomasie można wykorzystać dla celów człowieka. Podlega ona przetwarzaniu na inne formy energii poprzez spalanie biomasy lub spalanie produktów jej rozkładu. W wyniku spalania uzyskuje się energię cieplną, która może być przetworzona na inne rodzaje energii np. energię elektryczną. Do celów energetycznych wykorzystuje się najczęściej: drewno, odchody zwierząt, osady ściekowe, smołę, odpady produkcji rolniczej, odpady organiczne. Spalanie biomasy jest uważane za korzystniejsze dla środowiska niż spalanie paliw kopalnych, gdyż zawartość szkodliwych pierwiastków (przede wszystkim siarki) w biomasie jest niższa, a powstający się w procesie spalania dwutlenek węgla wytworzony został w nieodległej przeszłości z dwutlenku węgla zawartego w biosferze. Natomiast dwutlenek wprowadzony do środowiska przy spalaniu paliw kopalnych jest dodatkowym dwutlenkiem węgla wnoszonym do atmosfery, zwiększającym globalne ocieplenie. Wadą biomasy stosowanej do spalania jest wydzielanie się szkodliwych substancji podczas spalania białek i tłuszczy.
Energia geotermalna (energia geotermiczna) – jeden z rodzajów odnawialnych źródeł energii. Polega na wykorzystywaniu cieplnej energii wnętrza Ziemi, szczególnie w obszarach działalności wulkanicznej i sejsmicznej. Woda opadowa wnika w głąb ziemi, gdzie w kontakcie z młodymi intruzjami lub aktywnymi ogniskami magmy, podgrzewa się do znacznych temperatur. W wyniku tego wędruje do powierzchni ziemi jako gorąca woda lub para wodna. Woda geotermiczna wykorzystywana jest bądź bezpośrednio (doprowadzana systemem rur) lub pośrednio (oddając ciepło chłodnej wodzie i pozostając w obiegu zamkniętym). Energię geotermalną na szeroką skalę wykorzystuje się w Islandii, a w Polsce m.in. na obszarze Podhala.