ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ
Министерство образования Российской Федерации
Омский государственный технический университет
Кафедра ЭсПП
РЕФЕРАТпо дисциплине «История электроэнергетики»
на тему:
________________________________________________
Выполнил студент группы __________
_________________________________
Проверил
_________________________________
Омск 2006
ЭНЕРГИЯ. РЕСУРСЫ. МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ. СООТНОШЕНИЯ ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ.
Энергия (от греч.
energeia — действие, деятельность), общая количественная мера различных форм движения материи. Вследствие существования закона сохранения энергии, понятие энергии связывает воедино все явления природы.
Приведем одну из классификаций видов энергии.
1.
Аннигиляционная энергия — полная энергия системы «вещество — антивещество», освобождающаяся в процессе их соединения и аннигиляции (взаимного уничтожения, т.е. слияния и «исчезновения») в различных видах.
2.
Ядерная энергия — энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер; в последнем случае ее называют «термоядерной».
3.
Химическая (логичнее — атомная) энергия — энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия освобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях.
4.
Гравистатическая энергия — потенциальная энергия ультраслабого взаимодействия всех тел, пропорциональная их массам. Практическое значение имеет энергия тела, которую оно накапливает, преодолевая силу земного притяжения.
5.
Электростатическая энергия — потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, то есть запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля.
6.
Магнитостатическая энергия — потенциальная энергия взаимодействия «магнитных зарядов», или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолевать силы магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил. Источником магнитного поля может быть постоянный магнит, электрический ток.
7.
Нейтриностатическая энергия — потенциальная энергия слабого взаимодействия «нейтринных зарядов», или запас энергии, накапливаемый в процессе преодоления сил р-поля — «нейтринного поля». Вследствие огромной проникающей способности нейтрино накапливать энергию таким способом практически невозможно.
8.
Упругостная энергия — потенциальная энергия механически упруго измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.
9.
Тепловая энергия — часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.
10.
Механическая энергия — кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц.
11.
Электрическая (электродинамическая) энергия — энергия электрического тока во всех его формах.
12.
Электромагнитная (фотонная) энергия — энергия движения фотонов электромагнитного поля.
13.
Мезонная (мезонодинамическая) энергия — энергия движения мезонов (пионов) — квантов ядерного поля, путем обмена которыми взаимодействуют нуклоны (теория Юкавы, 1935 г.).
14.
Гравидинамическая (гравитонная) энергия — энергия движения гипотетических квантов гравитационного поля — гравитонов.
15.
Нейтринодинамическая энергия — энергия движения всепроникающих частиц β-поля - нейтрино.
Таковы «лица» многоликой царицы — Энергии. А нельзя ли число их увеличить или убавить? Теоретически можно, но для этого нужны веские аргументы.
Так, иногда выделяют еще «колебательную» и «инерционную» энергии. Однако и колебательный характер движения, и инерция свойственны различным видам материи и движения (например, «звуковая энергия» есть разновидность механической), а потому уже включены в классификацию.
Часто в особый вид энергии выделяют
биологическую. Но биологические процессы — всего лишь особая группа физико-химических процессов, в которых участвуют те же виды энергии, что и в других. Обычно в растениях электромагнитная энергия солнечного излучения превращается в химическую энергию, а в организмах животных химическая энергия пищи превращается в тепловую, механическую, электрическую, а иногда и в световую (электромагнитную). Поэтому правильнее говорить не о биологической энергии, а о биологических преобразователях энергии — растениях и животных.
А существует ли
«психическая энергия»?
Большинство специалистов считают, что пока нет оснований ее выделять, так как неясно, каким материальным носителям, формам движения и видам взаимодействия можно сопоставить эту энергию. Однако ни один акт человеческой деятельности не может произойти без мотивационного, а значит, и «психоэнергетического» обеспечения, источником которого служит физико-химическая энергия организма. А на что еще можно рассчитывать в будущем? Эксперименты на мощных ускорителях элементарных частиц свидетельствуют, что считавшиеся неделимыми нейтрон и протон, вероятно, состоят из еще более «элементарных» частиц, чему, возможно, соответствует какой-то новый вид или виды энергии.
Использование видов энергии.Из перечисленных выше 15 видов энергии практическое значение имеют пока только 10: ядерная, химическая, упругостная, грависта-тическая, тепловая, механическая, электрическая, электромагнитная, электростатическая и магнитостатическая.
При этом непосредственно используется всего четыре вида: тепловая (около 70-75%), механическая (около 20-22%), электрическая (около 5-3%) и электромагнитная — световая (менее 1%). Причем так широко вырабатываемая, подводимая по проводам в каждый дом и к каждому станку электрическая энергия выполняет в основном роль переносчика энергии.
Практически в любом технологическом процессе используется несколько видов энергии. Топливно-энергетические балансы при этом составляются обычно по видам используемых топлив, видов энергии для каждого технологического цикла (передела) отдельно. Это не позволяет провести объективное сравнение различных технологических процессов. Для производства одного и того же вида продукции. Для энергоемкости какого-либо технологического продукта было предложено все виды энергии классифицировать на три группы:
1. Первичная энергия Э
1 — химическая энергия ископаемого первичного топлива, с учетом энергетических затрат на добычу, подготовку (обогащение), транспортировку и т.д.
2. Производная энергия Э
2 — энергия преобразованных энергоносителей, например: пар, горячая вода, электроэнергия, сжатый воздух, кислород, вода и др., с учетом затрат на их преобразование.
3. Скрытая энергия Э
3 — энергия, израсходованная в предшествующих технологиях и овеществленная в сырьевых исходных материалах процесса, технологическом, энергетическом и т.п. оборудовании, капитальных сооружениях, инструменте и т.д.; к этой же форме энергии относятся энергозатраты по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии (ремонты), энергозатраты внутри- и межзаводских перевозок и других вспомогательных операций.
Для многих массовых видов продукции величина энергетических затрат в виде скрытой энергии, то есть вносимой оборудованием и капитальными сооружениями, является относительно незначительной по сравнению с другими двумя видами энергии и поэтому в первом приближении может включаться в расчет по примерной оценке.
Суммарные энергозатраты на производство единицы какой-либо продукции в этом случае можно записать в виде:
Э
сум=Э
1+Э
2+Э
3-Э
4,
где Э
4 — энергия вторичных энергоресурсов, которая вырабатывается в процессе производства данной продукции, но передается для использования в другой технологический процесс.
Суммарные энергозатраты называют также технологическим топливным числом (ТТЧ) конкретного вида продукции (стали, кирпича и др.).
Энергетические ресурсы Земли.Почти вся энергия поступает на поверхность земли от солнца, за исключением небольшого количества теплоты за счет радиоактивности земной коры, наличия раскаленного земного ядра, а также гравитационной энергии взаимодействия земли с луной и солнцем. Даже органическое топливо, используемое сегодня, обязано своим происхождением фотосинтезу растительности болот доисторической эпохи. Однако не весь поток энергии солнечного излучения, интенсивность которого составляет примерно 1,4 кВт/м
2, утилизируется; примерно 30-40% этого потока энергии рассеивается прямым отражением. Коэффициент отражения (альбедо) зависит от характерных особенностей поверхности, на которую падают лучи солнца, т.е. от того, является ли она песчаной пустыней, снежной равниной, водной гладью, облачностью и т.д.
Проблема обеспечения возрастающих потребностей в электроэнергии намного облегчилась бы, если бы стало возможным эффективное прямое преобразование солнечной энергии в электрическую. Такое преобразование может осуществляться и уже осуществляется, но его КПД очень низкий, и получаемая при таком КПД энергия служит лишь незначительным добавлением к основному количеству энергии, производимой с помощью органического топлива, геофизических источников и ядерных реакторов деления.
Органические топлива (первичная энергия).Органические топлива, т. е. уголь, нефть и природный газ, составляют сейчас и будут составлять в перспективе подавляющую часть всего энергопотребления. Образование органических топлив является результатом теплового, механического и биологического воздействия в течение многих столетий на останки растительного и животного мира, откладывавшиеся во всех геологических формациях. Все эти топлива имеют углеродную основу, и энергия высвобождается из них, главным образом, в процессе образования двуокиси углерода (диоксида углерода).
Нефтяное топливо.Сырая нефть, поступающая из скважин, представляет собой смесь углеводородов от летучих газолинов (не путать с автомобильным бензином) до очень вязких гудронов. Она обычно представляет собой смесь молекул из трех основных углеводородных групп: парафинов, циклопарафинов или лигроинов и ароматических смол. В небольших количествах в ней содержатся также другие элементы, химически связанные с молекулами углеводородов: сера (до 6%), кислород (до 4%), азот (до 1%) и следы некоторых металлов. Кроме основных углеводородных молекулярных структур в нефти присутствует много компаундов со значительно большей молекулярной массой, образованных удлинениями или соединениями основных молекулярных блоков. Например, в одной из проб сырой нефти было обнаружено более 300 различных углеводородов.
Нефть в сыром виде не находит широкого применения, но она может быть превращена в исключительно ценные нефтепродукты путем ее переработки. Это общее понятие включает три основных процесса: физическое разделение смеси, риформинг и ректификацию. Производство различных видов продукции из нефти должно регулироваться в соответствии с потребностью в них в зависимости от сезона, колебания спроса и их расходом в качестве сырьевых материалов. Большинство перерабатывающих заводов сооружается для переработки какого-либо одного определенного вида сырья, и сырье других сортов, имеющее иные характеристики, например повышенное содержание серы, для них не подходит.
Именно благодаря столь широкому разнообразию исходных материалов, содержащихся в сырой нефти, последняя стала высоко цениться. Однако, несмотря на исключительно широкий ассортимент продукции, получаемой из нефти и имеющей широкий спрос на рынке, — от нейлона до красителей, от медикаментов до пластиков, — доля нефти, используемой в качестве сырья для нефтехимии, составляет менее 3% ее суммарной добычи. Большая часть произведенных из нефти продуктов сжигается. Представляется, что в ближайшем будущем такое положение сохранится, — по крайней мере, до того, пока затраты на энергию, получаемую таким путем, будут ниже, чем на энергию, получаемую на базе других источников.
Природный газ.Природный газ, в основном метан, обнаруживается вместе с месторождениями нефти в пропорции примерно 1300 м
3 газа на 1 т сырой нефти или в отдельных месторождениях газа.
Новейшие достижения в области энергетики, а также создание газопроводов большого диаметра и больших океанских танкеров, в которых можно поддерживать достаточно низкую температуру, чтобы перевозить сжиженный газ, обеспечивают хорошие перспективы для использования большей части всего имеющегося в недрах Земли газа. Используя приведенное выше соотношение и оценки мировых конечных ресурсов нефти, для предельной добычи газа Q
∞ получим диапазон от 235 до 380 трлн. м
3.
Более тяжелые компоненты природного газа — этан, бутан, пропан и другие — при нормальных температуре и давлении (т.е. 20°С и 0,1 МПа) находятся в жидком состоянии. При выходе природного газа из скважины они удаляются из газового потока для того, чтобы их конденсат не затруднял передачу газа; добыча газового конденсата регистрируется в газовой промышленности отдельно. В среднем по США соотношение добычи газового конденсата и сырой нефти составляет 220 кг конденсата на 1 т сырой нефти.
Уголь.
Уголь имеет принципиально иное происхождение, чем нефть. Происхождение последней связывают с осадочными отложениями в морской воде, в то время как уголь образовался из осадков органических веществ в пресной воде доисторических болот. Уголь обнаруживается в пластах всех геологических эпох — от нижнего палеозоя (350 млн. лет тому назад) до сравнительно недавнего четвертичного периода (1 млн. лет тому назад). Последовательность возникновения угля (торф, лигнит, бурый уголь, суббитуминозный и битуминозный уголь, антрацит) — от недавних растительных образований до наиболее твердых, с высоким содержанием углерода, сортов угля.
Высокая теплота сгорания угля определяется высоким содержанием в нем водорода и количеством углерода. Поскольку содержание водорода до какой-то степени зависит от содержания углерода, очевидно, что воздействие бактерий разрушает углеводородные молекулярные структуры, составляя химически активный водород и углерод. Следовательно, чем дольше происходит это воздействие, тем вероятнее повышение теплоты сгорания угля. Вообще, чем старее уголь, тем выше его качество (или сортность, если использовать терминологию, принятую в промышленности). Большая разница в теплоте сгорания различных сортов угля очень затрудняет оценку угольных ресурсов, поскольку нужно знать не просто количество извлекаемого угля, но, что важнее, количество энергии, которое можно получить из него.
Уголь добывается более 1000 лет, а его использование в крупных масштабах насчитывает, по меньшей мере, 200 лет. Хорошо изучено и расположение угольных пластов. Задача оценки извлекаемого объема угля значительно проще, чем аналогичная задача для нефти. Но, как и для нефти, процессы, происходящие в недрах, не изучены и никогда не смогут быть изучены полностью. Как следствие, оценки запасов угля по прошествии определенного периода времени по мере поступления новой информации должны пересматриваться в сторону их повышения.
Древесное топливо.Состоит в основном из клетчатки С
6Н
10О
5 (50-70%) и межклеточного вещества лигнина (20-30%). Ценность древесного топлива состоит в малой зольности (до 1%), отсутствии серы и большом содержании горючих летучих (до 85%). Возможная значительная влажность (W
p до 60%) существенно снижает его теплотворную способность. Иногда для дров вводят понятие абсолютной влажности, определяемой по формуле:
W=(G-G
1)100/G
1,%,
где G и G
1, — вес влажной и высушенной до постоянного веса при Т= 100-105°С древесины, кг.
Соответственно по этой влажности дрова подразделяются на:
1. Воздушно-сухие с содержанием влаги до 25%.
2. Полусухие с содержанием влаги от 26 до 30%.
3. Сырые с содержанием влаги более 50%.
Отходы растениеводства.По своей структуре и топливным характеристикам близко подходят к древесине. Большинство из них отличается относительно высокой теплотворной способностью
(табл.). Для сравнения приведены данные по городскому мусору.
Средние значение Q
MP для растительных отходов, ккал/кг.
Солома
|
Костра льняная
|
Коробочки хлопчатника
|
Стебли хлопчатника
|
Подсолнечная лузга
|
Рисовая шелуха
|
Городской мусор
|
3750
|
3860
|
3410
|
3470
|
3685
|
3180
|
1000
|
Геофизическая энергия (возобновляемая энергия).Для того чтобы узнать, какие источники энергии относятся к альтернативным, следует вначале тщательно проанализировать схему энергетического баланса Земли. Рассмотрим сначала геотермальную, гравитационную и солнечную энергии; эти источники энергии назовем геофизическими. По сравнению с органическим топливом количество энергии, которое можно получить от этих трех источников, относительно легко оценить. Проанализируем методы, с помощью которых геофизическая энергия может быть преобразована в полезную работу, оценим конечные ресурсы каждого вида энергии.
Гидроэнергия.Преобразование потенциальной энергии воды, накопленной в водоемах, в механическую энергию вращения с целью приведения в действие мельниц и других механизмов применялось со времен Римской империи. Преобразование гидроэнергии в электрическую энергию стало возможным в конце XIX в. благодаря открытиям физики и техническому прогрессу. Крупные гидроэлектростанции начали появляться на рубеже XIX и XX вв.
Физические принципы процесса преобразования энергии падающей воды в электроэнергию в действительности просты, однако технические детали достаточно сложные. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина вращает вал, к которому присоединен ротор генератора, вращающийся в магнитном поле статора. Выработка электроэнергии зависит от потенциальной энергии воды, запасенной в водоеме, и КПД ее преобразования в электроэнергию.
Мощность гидроэлектростанций (ГЭС) зависит как от количества воды, так и от перепада между водной поверхностью водохранилища и уровнем установки гидроагрегата; этот перепад называется напором. Вода, поступающая на турбину под высоким напором, имеет большую потенциальную энергию, чем при малом напоре, и поэтому на высоконапорной электростанции требуется меньший расход воды для получения одинаковой мощности. Чем выше напор, тем меньше необходимые габариты турбины, что удешевляет стоимость всего сооружения. Но высокий напор не всегда удается создать; мощность ГЭС и количество вырабатываемой ею электроэнергии в основном зависят от топографических условий в районе размещения водохранилища и ГЭС.
Водохранилища, образованные плотинами, могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду. Они могут приводить к уничтожению уникальной флоры и фауны, сокращению стока реки, прекращению сезонных паводков (Асуанский гидроузел), нанесению ущерба ландшафту района расположения водохранилища. Кроме того, все водотоки несут с собой наносы, которые, оседая в водохранилищах, снижают их полезную емкость. Поэтому полезное использование водохранилищ продолжается всего от 50 до 200 лет. Многие гидроэлектростанции были построены в засушливых районах. Создание в таких районах крупных водных поверхностей в долгосрочной перспективе должно вызывать климатические изменения, иногда желательные. И наконец, образование крупного водохранилища создает очень большое давление на малый участок поверхности земли. Образующиеся в результате этого напряжения в породах, слагающих дно водохранилища, если их не снимать, могут создать потенциальную угрозу землетрясения.
Поэтому целесообразно развитие ГЭС малой мощности, в основном на уже существующих водохранилищах.
Вместе с тем существуют и другие возможности использования водной энергии — приливные гидростанции (ПЭС). В некоторых районах мирового океана наблюдается очень большая амплитуда приливной волны и разность между верхней и нижней отметками прилива достигает 10 м. Если открыть шлюз в дамбе в то время, когда приливная волна набирает высоту, дать возможность заполниться водохранилищу и затем в высшей точке прилива шлюз закрыть, то накопленную воду можно во время отлива пропустить через турбины и таким образом выработать электроэнергию. Еще лучше, если турбины могут быть сконструированы реверсивными; в этом случае они будут работать как при заполнении водохранилища, так и при его опорожнении. Совершенно очевидно, однако, что выработка электроэнергии на ПЭС возможна лишь в определенное время суток, и это затрудняет использование приливной энергии в крупной энергосистеме.
Значение суммарного энергетического потенциала приливов мирового океана по оценке составляет 13 ГВт, что очень немного по сравнению с гидроэнергетическим потенциалом речного стока. Конечно, данная оценка может иметь серьезные погрешности, но маловероятно, чтобы их устранение внесло принципиальные изменения в вывод о том, что приливная энергия не может внести существенного вклада в покрытие энергетических потребностей человечества в будущем. Вместе с тем следует отметить, что использование энергии приливов в целях выработки электроэнергии для местных нужд имеет явные преимущества.
Энергия приливов не образует вредных отходов и не растрачивает невосполнимых минеральных ресурсов, наносимый ущерб экологии и эстетике местности невелик. Представляется логичным осваивать энергию приливов там, где сочетание топографического и энергетического факторов делает это экономически целесообразным и технически возможным.
Ветровая энергия.Ветровая энергия продолжительное время использовалась в мореплавании, а также для приведения в движение мельничных колес. В последнее время она начала использоваться для выработки электроэнергии. Большинство ветроэнергетических установок имеет мощность несколько киловатт, и используются они в отдаленных местах, например на морских маяках.
Со времени энергетического кризиса 1973-1974 гг. в развитие ветровой энергетики были вложены значительные средства. Было построено несколько экспериментальных установок разной конструкции. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, все еще высока по сравнению с электроэнергией, получаемой на базе органического топлива. Кроме того, выявились некоторые проблемы, связанные с электрическими помехами. Тем не менее ветровую энергию следует рассматривать как энергетический ресурс.
Ветроэнергетическая установка предназначена для того, чтобы превращать кинетическую энергию ветра в энергию вращении ротора генератора, который и вырабатывает электроэнергию. Выходная мощность установки пропорциональна площади лопастей ветрового ротора и скорости ветра (в кубе). Поэтому ветроэнергетические установки большой мощности, в мегаваттном диапазоне, должны быть по своим габаритам очень крупными, поскольку скорость ветра в среднем не бывает очень большой.
Одной из самых сложных проблем, препятствующих широкому распространению ветроэнергетических установок, является постоянно меняющаяся скорость ветра. Даже высоко в горах нельзя рассчитывать на стабильную скорость ветра. Кроме того, электроэнергия начинает вырабатываться этими установками тогда, когда дует ветер, а не тогда, когда она необходима. К сожалению, удобного, эффективного и экономичного способа запасать электроэнергию в большом количестве еще нет.
Отношение к ветроэнергетическим установкам до сих пор неоднозначно. Считается, что широкое развитие ветровой энергии может привести к заметным климатическим изменениям.
Геотермальная энергия.Этот вид энергии некоторые причисляют к неисчерпаемому, экологически чистому источнику энергии будущего. Чтобы понять, насколько это соответствует действительности, необходимо внимательно проанализировать принципы использования геотермальной энергии. Принцип выработки электроэнергии на современной геотермальной электростанции (ГеоТЭС) тот же, что и на ТЭС, работающей на органическом топливе: теплота, получаемая в данном случае из недр Земли, используется для выработки пара, который вращает турбоагрегат. КПД ГеоТЭС из-за низкой температуры пара меньше, чем ТЭС на органическом топливе. Кроме того, пар, поступающий из недр Земли, загрязнен, иногда значительно, растворенными в нем солями.
Для удаления нежелательных химических примесей в схеме ГеоТЭС предусмотрен сепаратор пара. В последующем эти химические вещества могут быть использованы в качестве промышленного сырья. Из конденсатора поступает чистая вода, которая может использоваться в хозяйственных целях. Для конденсации отработавшего пара используется внешнее охлаждение — возможно охлаждение с помощью градирен, а получаемая вода может вновь закачиваться через скважины в недра Земли для ее дальнейшего включения в процесс теплообмена. В более простых схемах отдельные компоненты могут отсутствовать.
Если бы земная кора, мантия и ядро были однородными, тепловой поток повсюду был бы равномерным, тепловое излучение земного ядра было бы непригодно для использования. Однако земная кора неоднородна, и вулканическая деятельность и наличие горячих источников во многих районах служат доказательством того, что магма в этих местах относительно близко подступает к поверхности земли. В отдельных районах, где магма близко подходит к водонесущим породам, которые к тому же сверху перекрыты непроницаемой скальной породой, создаются благоприятные условия для образования пара. Путем бурения скважин этот пар, часто имеющий температуру от 100 до 300°С, можно извлекать из недр земли для использования. Иногда такой пар через естественные трещины или расщелины выходит на поверхность в форме гейзеров. Эта гипотеза образования пара не доказана, поскольку еще не проводились соответствующие исследования процесса теплообмена между источником теплоты и водоносными пластами.
Оценить ресурсы геотермальной энергии — задача трудная; любая количественная оценка на сегодняшний день, вероятно, неточна, однако не настолько, чтобы серьезно изменить сделанные выводы. Использованный метод оценки состоял в обследовании всех известных в мире районов геотермальной активности и определении количества теплоты, содержащейся в этих районах на глубине до 19 км. При этом методе геотермальные ресурсы были оценены в 4∙10
22 Дж. Допустим, что из этого количества энергии 1% может быть преобразован в электроэнергию при КПД = 25%. В этом случае общее производство электроэнергии составит 10
20 Дж. Для выработки такого количества электроэнергии, скажем за 50 лет, понадобилось бы построить геотермальные электростанции общей установленной мощностью 60 ГВт. Однако эта мощность одного порядка с мощностью, которую можно получить при освоении всего потенциала приливной энергии.
Чтобы приступить к освоению этого относительно небольшого источника энергии, необходимо сначала решить несколько технологических и экологических проблем. Широкое освоение геотермальной энергии будет возможно, когда она станет конкурентоспособной по сравнению с другими энергоресурсами. Большая часть затрат на ее освоение связана в настоящее время с бурением скважин, необходимых для извлечения из недр пара или горячей воды. Эти скважины не столь глубокие, как нефтяные, однако их диаметр больше (достигает 60 см). Высокое содержание солей в геотермальной воде приводит к тому, что через несколько лет работы происходит закупорка скважин. В результате их необходимо прочищать или требуется пробуривать новые скважины в другом месте, что связано с дополнительными расходами. По большинству скважин поступает не пар, а горячая вода; в этом случае КПД процесса выработки электроэнергии меньше. Отбор теплоты из геотермального источника происходит обычно быстрее, чем ее возмещение за счет естественного процесса. В результате со временем температура пара или горячей воды начинает снижаться, уменьшается также их поступление на поверхность. Это означает, что наступает исчерпание источника геотермальной энергии. Чтобы предотвратить этот процесс, под землю под высоким давлением должна закачиваться вода, что связано с определенным риском. Такая закачка вызывала сдвиги земной коры вдоль линий разрывов.
На пути к широкомасштабному использованию геотермальной энергии стоит много нерешенных проблем, которые необходимо преодолеть до того, как будут сделаны крупные капитальные вложения в освоение этого источника энергии. Руководствуясь историческими фактами, можно прийти к выводу, что если крупные капиталовложения будут сделаны, то эксплуатация геотермального источника будет осуществляться вне зависимости от того, какими будут последствия для окружающей среды.
Солнечная энергия.Рассмотренные выше геофизические источники энергии могут обеспечить в последующие десятилетия лишь незначительную часть потребностей в энергии и оказаться неприемлемыми для освоения в крупных масштабах. Органическое топливо, рассмотренное ранее, является невозобновляемым ресурсом, и его использование связано с нанесением значительного ущерба окружающей среде.
Необходимо располагать неисчерпаемым дешевым и возобновляемым источником энергии, не загрязняющим окружающую среду. Таким источником является Солнце. Поток солнечного излучения составляет около 3,8∙10
26 Вт и представлен всем спектром электромагнитных волн. Однако основная его масса приходится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную части спектра. Энергетическая освещенность земной атмосферы составляет примерно 1,4 кВт/м
2, а поверхности Земли — около 1 Вт/м
2. Пока не существует экономичного способа преобразования этой энергии в электрическую. Проходят испытания нескольких установок для отработки такой технологии преобразования.
Наиболее подходящим направлением преобразования солнечной энергии в полезную работу является ее использование для замещения органического топлива при получении теплоты в парогенераторе. Однако, как и при применении органического топлива, КПД преобразования ограничивается диапазоном температуры рабочего тела, в данном случае — пара. Поскольку создание и эксплуатация очень крупных коллекторных систем для концентрации солнечных лучей является делом сложным, в настоящее время в таких системах удается получить пар, как правило, с относительно небольшой температурой. Как следствие, КПД преобразования солнечной энергии в электроэнергию в таких установках может составлять около 10%. Чтобы получить 1 ГВт электрической мощности, потребовалось бы 10 ГВт мощности солнечного излучения.
В создании системы таких масштабов и связанного с ней другого оборудования имеются определенные технические трудности. Кроме того, непомерно высока ее стоимость по сравнению с ТЭС на органическом топливе и даже АЭС. Подсчитано, что стоимость электроэнергии, производимой опытной солнечной установкой башенного типа в Барстоу, почти в 10 раз превышает стоимость электроэнергии, производимой ТЭС на органическом топливе.
Ядерная энергия.Если предположить, что начнется более широкое использование угля, то органических топлив, возможно, хватит на четыре-пять десятилетий для обеспечения потребностей человечества в энергии. После этого периода основным энергоресурсом может стать или не стать солнечная энергия. Практически уже сейчас ощущается необходимость иметь источник энергии на этот переходный период, причем этот источник должен быть практически неисчерпаемым, дешевым, возобновляемым и не загрязняющим окружающую среду. И хотя ядерная энергия не отвечает полностью всем перечисленным требованиям, она продолжает развиваться. Вероятно, что именно она будет этим «переходным» источником энергии по той простой причине, что никакой другой вид энергии, который был бы столь же доступным, пока не найден.
Освобождение и использование ядерной (у нас в стране сложилось название «атомной») энергии является одним из крупнейших достижений науки в XX в.
Это великое открытие, к сожалению, было прежде всего использовано в военных целях (вспомним о взрывах американских атомных бомб
6 и 9 августа 1945 г. над японскими городами Хиросимой и Нагасаки) и только позднее в мирных.
Современная атомная энергетика зиждется на экспериментально установленном факте деления тяжелых ядер элементов (урана, плутония, тория) в результате попадания в ядро нейтрона, благодаря чему развивается цепная реакция с выделением огромного количества энергии (тепла).
Интересно отметить, что один из трех названных элементов — плутоний — практически на Земле не встречается. Это не помешало, однако, добытому в ядерных реакторах плутонию,
239Р и, стать наряду с ураном важнейшим ядерным топливом.
Важно заметить, что масса тяжелого ядра (урана, плутония или тория) до ядерной реакции несколько больше суммы масс продуктов, получаемых в результате, т. е. мы имеем здесь дело с так называемым дефектом массы — явлением, связанным с огромным энерговыделением.
Ядерные реакции с огромным энерговыделением могут происходить и в результате синтеза ядер элементов, обладающих малым атомным весом, например изотопов водорода — дейтерия и трития. Но это уже термоядерная реакция,
Существенно отметить, что число нейтронов, являющихся истинными инициаторами реакции деления тяжелых ядер, в результате реакции увеличивается, во всяком случае, оно больше единицы. Это и создает возможность цепной реакции.
В настоящее время в качестве ядерного топлива в реакции деления ядер используются обогащенный природный уран и искусственно полученный плутоний. Что касается тория, то он пока не получил применения в ядерной энергетике, хотя его запасы, по-видимому, больше, чем урана, и многие специалисты рассматривают торий как перспективное ядерное топливо.
Производная энергия.Как уже отмечалось, к производной энергии относятся энергоносители в виде пара, горячей воды (тепловой энергии), сжатого воздуха, электроэнергии, кислорода и др., которые широко используются в самых различных технологических процессах, а также в быту. Для их производства применяются, как правило, первичная энергия (топливо), а также соответствующие виды производной (преобразованной) энергии. Для производства преобразованной энергии служат различные энергоисточники:
• традиционные (тепловые электрические станции — ТЭС, атомные (ядерные) электрические станции — АЭС, котлы, компрессорные установки и т.д.);
• установки на вторичных ресурсах (котлы-утилизаторы, тепловые насосы, холодильники и т.п.);
• нетрадиционные (альтернативные) — ветроэнергоустановки, биореакторы, гелиоподогреватели и др.
Работоспособность (или, иначе говоря, энтальпию, т.е. теплосодержание) любого из этих теплоносителей определяет сумма их внутренней энергии и потенциальной энергии источника.
Дадим краткую характеристику основных видов энергоносителей.
Пар водяной. Это вода в газообразном состоянии. Различают насыщенный пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью (водой), и перегретый пар, имеющий температуру Т
П больше температуры насыщения Т
И для данного давления. Водяной пар — рабочее тепло паровых турбин и машин. Пар также широко используется как высокотемпературный теплоноситель для сушилок, термической обработки и др.
Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния. Такие параметры простейших систем, которыми являются газы, пары и жидкости, связаны термическим уравнением состояния вида:
f(p,u,T) = 0.
На основании теории, разработанной М.П. Вукаловичем и др., было получено численное уравнение состояния водяного пара, на основании которого составлены таблицы и диаграммы свойств водяного пара для различных температур и давлений. Эти диаграммы и таблицы нужны для практических расчетов всех теплоэнергетических процессов, в которых используется водяной пар.
Вода. Жидкость без запаха, вкуса, цвета, химическая формула Н
2О.
Плотность 1000 кг/м
3 при температуре 3,98°С. При 0°С превращается в лед, при 100°С — в пар. Вода — обязательный компонент практически всех технологических процессов, как промышленных, так и сельскохозяйственных. Особенно широко вода применяется в теплотехнике как энергоноситель для производства и переноса тепловой энергии.
В нашей стране с использованием горячей воды разработаны и реализованы многочисленные централизованные системы теплоснабжения для отопления и горячего водоснабжения жилых, социальных и производственных зданий и технологических потребителей. Распространенный источник теплоснабжения теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и отопительные и производственно-отопительные котельные.
Электрическая энергия (электричество). Определяют как совокупность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) заряженных частиц. Электрическая энергия имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими видами производной энергии — возможность получения практически любых количеств энергии как от элемента размером со спичечную головку, так и от турбогенераторов мощностью более 1000 МВт, сравнительная простота ее передачи на расстояние и легкость преобразования в энергию других видов. Основная проблема — это ее хранение. Здесь возможности ограничены.
В настоящее время трудно представить себе жизнь без электроэнергии. Так, в США на долю электроэнергии приходится около 45% производимой энергии. Электроэнергия находит применение и в электромобилях, и в производстве водородного топлива, в том числе и из воды.
Воздух. Это смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли: азот (78,08%), кислород (20,95%), инертные газы (0,94%), углекислый газ (0,03%). Плотность 1,293 кг/м
3, растворимость в воде 29,18 см
3/л. Благодаря кислороду, содержащемуся в воздухе, он используется как химический агент в различных процессах (сжигание топлива, выплавка металлов из руд, получение многих химических веществ). Воздух важнейшее промышленное сырье для получения кислорода, азота, инертных газов. Используется как теплоизоляционный и звукоизоляционный материал.
Кроме этого сжатый воздух рабочее тепло для совершения механической работы (пневматические устройства, струйные и распылительные аппараты и др.).
Кислород. Химический элемент, в свободном виде встречается в двух модификациях — О
2 («обычный») и О
3(озон). О
2— газ без цвета и запаха, плотность — 1,42897 кг/м
3. В химической практике самый активный неметалл. С большинством других элементов (водородом, многими металлами и др.) кислород как окислитель взаимодействует непосредственно и с выделением энергии. Процесс окисления по мере повышения температуры и роста скорости реагирования переходит в режим
горения. Разновидностью последнего можно назвать
взрыв (детонация). Кислород (или обогащенный им воздух) применяется в металлургии, химической промышленности, при космических полетах, подводном плавании, в медицине. Жидкий кислород — окислитель ракетного топлива.
Использование кислорода в качестве окислителя вместо воздуха многократно увеличивает скорость горения (окисления), снижает объем образующихся продуктов горения.
Соотношения между некоторыми физическими и энергетическими величинами.В настоящее время употребляются следующие единицы вторичной энергии;
Тепловая энергия — джоуль (Дж, j), калория (кал.)
Тепловая мощность — кВт, Вт, ккал/час
Электрическая энергия — киловатт час, кВт∙ч
Электрическая мощность — киловатт, кВт.
1Дж = 0,239кал = 0,278∙106 кВт ч.1ккал = 4187 Дж = 1,163∙10-3 кВт ч.1 кВт = 3,6∙106 Дж = 860 ккал.1 тыс. кВт∙ч = 0,86 Гкал.Первичные энергоносители — уголь, нефть, газ, гидроресурсы, биомасса и др. — измеряются в единицах объема или массы: т., м
3.
Энергетическая ценность первичных энергоносителей может выражаться в единицах вторичной энергии (тепла или электричества) или в единицах специальных эквивалентов — условном топливе (СССР, Россия, СНГ) или нефтяном эквиваленте (США, ОЭСР)
1 т условного топлива соответствует 7∙106 ккал1 т нефтяного эквивалента соответствует 10∙10б ккал1 т.у.т. = 7 млн. ккал = 29,31 млн. кДж.1 т.н.э. = 10 млн. ккал = 41,9 млн. кДж.1000 м3 газа = 1,14 т.у.т. = 0,8 т.н.э.в случае приведения электрической энергии гидравлических и атомных электростанций к условному эквиваленту пользуются либо методикой ООН - вычисление физического эквивалента:
1 кВт • ч = 0,125 кг у.т.,либо методикой МИРЭК, исходящей из замещения гидравлической и атомной энергии энергией вытесняемых тепловых электростанций:
1 кВт-ч = 312 г у.т. Поэтому в странах UNIPEDE:
1 МВт • ч = 0,222 т.н.э.,а в странах ОЭСР и МИРЭК:
1 МВт • ч = 0,086 т н.э.Другие физические и энергетические соотношения:
1 ПДж = 23,9 т н.э.1 м3 нефти = 0,86 т нефти1 т нефти = 42 ГДж1 нефтяной баррель = 159 л = 0,159 м31 кДж = 0,9478 БЕТ1 кВт∙ч = 3412 БЕТ.Британская тепловая единица — БЕТ (BTU) — широко используется в Великобритании и странах, традиционно с нею связанных.
1 БЕТ = 0,252 ккал.Метрическая тепловая единица МТБ:
1 МТЕ = 1 БЕТ = 0,453 ккал.В конкретных энергосистемах и на электростанциях при использовании тепловой и электрической энергии пользуются отчетными материалами по удельным расходам топлива. При отсутствии этих данных расчеты ведутся приближенно при следующих значениях удельных расходов топлива, соответственно по электроэнергии
320 г у.т./кВт • чи по тепловой энергии
172 кг у.т./Гкал .Диаграмма перевода некоторых видов топлива и других энергоресурсов в условное топливо приведена на рисунке.
Потребности в отоплении в соответствии с действующими на территории России и стран СНГ нормативами, устанавливаемыми СН 2.01.01-82 «Строительная климатология», проектируются по следующим климатологическим характеристикам:
— среднемесячная температура наружного воздуха, °С;
— среднегодовая температура наружного воздуха, °С;
— абсолютная минимальная температура, °С;
— абсолютная максимальная температура, °С;
Диаграмма перевода различных энергоносителей в условное топливо — средняя максимальная температура наиболее жаркого месяца, °С;
— средняя температура наиболее холодных суток, °С;
— средняя температура наиболее холодной пятидневки, °С;
— продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха ниже 8°С;
— средняя температура периода со средней суточной температурой воздуха ниже 8°С;
— продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха ниже 10°С;средняя температура наиболее холодного периода, °С;
— продолжительность периода со среднесуточной температурой воздуха ниже 0°С, сут.
