Опорний конспект на тему "ЕНЕРГІЯ В СВІТІ ПРАЦІ ТА ПРОФЕСІЇ - ВЧОРА, СЬОГОДНІ, ЗАВТРА"

ЭНЕРГИЯ В МИРЕ ТРУДА И ПРОФЕССИИ – ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА.

(ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЭПОХИ. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА.)

В начальный и очень длительный период развития общества человек сам выполнял энергетические функции в процессе производства, являясь единственным двигателем инструментов, орудий и простейших технологических и транспортных машин.

Позднее в тех случаях, когда это представлялось осуществимым по характеру производственного процесса и было экономически целесообразно, функции двигателя были возложены на животных.

Таким образом, начальный период развития энергетики характеризуется исключительным использованием, так называемой мускульной силы или, точнее, биологической энергии человека и животных. Это - первая ступень развития энергетики - период биологический энергетики, или биоэнергетики (мускульной энергетики). Этот период продолжался примерно до VIII-X веков.

Следующей, второй, ступенью в развитии энергетики  явилось применение энергии неживой природы. Первыми источниками этой энергии, привлеченными к энергоснабжению производственных процессов, были водные, а несколько позднее - воздушные потоки, приводившие в действие водяные и ветровые колеса.

Эти два вида энергоснабжения - ветро- и гидроэнергетика - характеризуют один и тот же исторический период развития способа производства.

Они не только совпадают по времени преимущественно, но и однородны по своей физической сущности, представляя собой непосредственное использование имеющихся в природе источников механической энергии .для приведения в движение исполнительных машин. Поэтому при выделении качественно отличной ступени развития энергетики целесообразно объединить родственные по времени, характеру и физическому - содержанию гидро- и ветроэнергетику, обозначив их термином механическая энергетика. Этот период продолжался до XVIII века.

Следующая, третья, ступень развития энергетики началась с использования теплоты как источника механической, работы. Теплоэнергетика возникла в начале XVIII в. в частной форме водоподъемник двигателей и стала быстро развиваться с конца XVIII в. в связи с внедрением в промышленность и транспорт универсального парового двигателя.

В конце XIX в. теплоэнергетика, являющаяся и в настоящее время количественно преобладающей, получила, равно как и гидроэнергетика, значительный стимул к ускоренному развитию благодаря производству электрической энергии. Электрическая энергия не берется непосредственно из природы, а вырабатывается на тепловых, гидравлических и других электростанциях. Поэтому электроэнергетика как вторичная энергетика, привлекаемая благодаря своей транспортабельности и трансформируемое в другие виды энергии, не явилась самостоятельной, независимой формой энергетики. Она не заменила первичные теплоэнергетику и гидроэнергетику, а наоборот, стимулировала их дальнейшее, весьма ускоренное развитие, знаменуя вместе с ними следующий, четвертый, период развития комплексной энергетики.

Новым этапом в развитии энергетики явилась возникшая в середине XX в. атомная энергетика, источником которой может служить искусственно вызываемый распад тяжелых или соединение легких ядер атомов.

Последовательные качественные ступени развития энергетики могут быть представлены следующим кратким перечнем:

1. Биоэнергетика (мускульная энергетика) - использование в качестве источника механической работы биологической энергии человека и животных.

     2. Механическая энергетики - использование механической энергии потоков воды и воздуха.

3. Теплоэнергетика - использование в качестве источника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.

4 Современная комплексная энергетика - преимущественное использование в качестве первичной энергии тепловой и гидравлической, а в качестве вторичной - электрической энергии.

     5. Атомная энергетика - использование энергии ядерных реакций.

Для перечисленных ступеней развития энергетики характерен некоторый количественный показатель, свойственный каждому из отдельных форм энергии. Таким показателем является удельная весовая энергоемкость носителя энергии, выражаемая отношением количества механической работы в килограммометрах (кГ • м) к единице веса энергоносителя, т. е. в  кГ • м/кг. Для живых двигателей подобный показатель неприменим вследствие особых форм восполняемости живого энергоносителя за счет биологической энергии. Тем не менее в отдельных случаях в косвенной форме энергоемкость живых двигателей может быть успешно привлечена для оценки исторических ступеней развития энергетики.

Так, например, если для современного океанского судна водоизмещением 80 000 т привлечь в качестве двигателя людей, как это делалось в античном мире, то для необходимой мощности 70 000 л. с. потребуется свыше 2 млн. гребцов (при трехсменной работе), вес которых без багажа и запасов продовольствия в несколько раз превысит вес самого судна. Что касается энергоносителей неживой природы, то здесь показатель удельной энергоемкости выражается достаточно точными цифрами и позволяет не только объяснить исторические факты, но и сделать прогнозы на будущее.

Носитель гидроэнергии - вода - располагает запасом энергии в зависимости от возможной высоты падения. Так, 1 кг воды может располагать работой в 1, 10, 100, 1000 кГ • м в зависимости от высоты падения в 1, 10, 100, 1 000 м. Еще меньшей энергоемкостью обладает носитель ветровой энергии - воздух, энергоемкость которого к тому же постоянно и бессистемно изменяется в зависимости от скорости ветра.

Носитель тепловой энергии - топливо - обладает весьма высокой энергоемкостью. Удельная теплотворная способность топлива колеблется в пределах 2 000 — 11000 ккал/кг. Так как 1 ккал эквивалентна 427 кГ • м работы, то удельная энергоемкость 1 кг топлива будет лежать в пределах 854000 - 4 697 000 кГ • м/кг, или в среднем равна 2 775 500 кГ• м/кг (для сопоставления без значительной погрешности можно принять округленное значение 3 млн. кГ • м/кг). Даже если учесть, что к. п. д. тепловых установок в среднем примерно в 3 раза ниже, чем к.п.д. гидравлических, высокая энергоемкость горючего дает выход практически реализуемой энергии, в десятки тысяч раз больший, чем энергоемкость воды.

Энергоемкость электрической энергии является понятием несколько условным, поскольку эта энергия вторичная, преобразуемая из других видов энергии. Во всех случаях получения электроэнергии ее количество, относимое к весу генерирующего устройства (паротурбогенератор, дизельгенератор, гидрогенератор, гальваническая или аккумуляторная батарея), незначительно. Поэтому с позиций удельной энергоемкости электрическая энергия не играет такой роли, как тепловая, являющаяся в настоящее время в силу высокой энергоемкости топлива монопольной для водного и воздушного транспорта и преобладающей для наземного.

Использование ядерной энергетики с позиций удельной энергоемкости, безусловно, знаменует громадный скачок к новой качественной ступени развития энергетики.

Исчисленная удельная энергоемкость ядерного горючего выражается в среднем в 8,5 • 10¹² кГ•м/кг по ядрам тяжелых изотопов и 64 • 10¹² кГ•м/кг по термоядерным реакциям, что в миллионы раз превышает среднюю энергоемкость обычного горючего. Даже если принять возможным использование только 10% располагаемой энергии ядерного горючего, энергоемкость носителей ядерной энергии более чем в миллион раз превосходит энергоемкость обычных энергетических топлив.

Итак, в развитии энергетики должны быть отмечены  следующие ступени, характеризующие резкое отличие применяемых форм энергии по весовой энергоемкости, оказывающей громадное влияние на развитие техники:

1. Использование первичной механической   (гидравлической и - в меньшей степени - ветровой) энергии «с удельной энергоемкостью порядка 10 - 1000 кГ•м/кг.

2. Использование первичной тепловой энергии со средней энергоемкостью 3 • 10⁶ кГ•м/кг

3. Использование первичной ядерной энергии с энергоемкостью 8,5 •10¹² - 64 •10¹² кГ • м/кг.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ «ЭНЕРГИЯ». ВИДЫ ЭНЕРГИИ.
ФИЗИЧЕСКИЕ ФОРМЫ ЭНЕРГИИ

Определение понятия «энергия».

Энергия - не только одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического (а в более широком смысле - естественнонаучного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.

В одних случаях под энергией понимают одну из характеристик механического движения, в других - универсальную величину, способную связать все разделы физики в рамках единого закона сохранения энергии, в третьих - некую мистическую силу, ответственную за все непонятные и необъяснимые явления. Наиболее употребительные понятия - кинетическая энергия и потенциальная энергия, внутренняя энергия, энергия массы и другие.

В историческом плане, примерно начиная с 1807 г., понятие «энергия» стало постепенно выделяться из многозначного понятия «сила». Особенно активно это понятие стало звучать в тот период, когда «движущая сила огня» начала использоваться в паровых машинах, где тепло от сжигаемого угля превращалось в механическую работу поршня, который перемещался под давлением пара. Несколько ранее интенсивность движения тел оценивали «живой силой» - произведением массы тела m на квадрат скорости v его движения mv². В 1829 г. француз Г. Кориолис уточняет выражение живой силы, поделив его пополам - mv²/2. Несколько позднее энергию движущей силы стали называть кинетической, а энергию системы, приведенной в «напряженное» состояние - камень поднят над землей и т. п., − потенциальной. К середине ХIХ века получил обоснование закон сохранения количества энергии при взаимопревращении ее видов в изолированных системах – первый закон природы, который точнее можно определить так: нельзя получить что-либо, не оплачивая это. В этот же период в полной мере осознается выдающаяся роль энергии в жизни и развитии человеческого общества, за что присваивают ей романтический титул «царицы мира». Естественно, в этот период появились и научные определения энергии. Приведем здесь только одно из многочисленных определений, которое принадлежит Ф. Энгельсу: «энергия - это общая скалярная (не зависящая от направления, не векторная.) мера различных форм движения материи».

Из сказанного выше можно сделать такие выводы:

Энергия – это абстрактное понятие, введенное физиками для того, чтобы описывать едиными терминами различные явления, связанные с теплотой и работой.

Энергия (греч. – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи.

Из данного определения вытекает:

1) энергия – это нечто, что проявляется лишь при изменении состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира;

2) энергия – это нечто, способное переходить из одной формы в другую

3) энергия характеризуется способностью производить полезную для человека работу;

4) энергия – это нечто, что можно объективно определить, количественно измерить.

Виды энергии. Физические формы энергии.

В настоящее время имеется научно обоснованная классификация видов энергии. Их много – около 20. Приведем только те виды энергии, которые к настоящему времени наиболее часто используются как в повседневной жизни, так и в научных исследованиях.

Механическая энергия — проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах - транспортных и технологических.

Тепловая энергия - энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Самым первым источником энергии, который человек поставил себе на службу, были обыкновенные дрова для пещерного костра. При горении происходят химические реакции окисления. Самой распространенной и широко используемой, с древних времен и до наших дней, является реакция окисления углерода:

Углерод в ходящий в состав любого органического топлива (уголь, дерево, нефть, газ), взаимодействуя с кислородом атмосферы, образует углекислый газ и выделяется тепловая энергия.

Что же представляет собой эта энергия с точки зрения физики? Каждое физическое тело состоит из атомов или молекул, в жидкостях и газах они хаотично движутся, чем выше скорость движения, тем большей тепловой энергией обладает тело. В твердом теле подвижность молекул или атомов значительно ниже, чем в жидкости, а тем более в газе, молекулы твердого тела только колеблются относительно некоторого среднего положения, чем сильнее эти колебания тем большей тепловой энергией обладает тело. Нагревая тело (сообщая ему тепловую энергию), мы как бы раскачиваем его молекулы и атомы, при достаточно сильном "раскачивании" можно выбить молекулы со своего места и заставить хаотично двигаться. Этот процесс плавления наблюдал каждый, нагревая в руке кусочек льда. Продолжая нагрев мы как бы разгоняем движущиеся молекулы, при достаточном разгоне молекула может выйти за переделы тела. Чем больше нагрев, тем больше молекул могут покинуть тело, в конце концов, передав телу достаточное количество тепловой энергии можно превратить его в газ. Такой процесс испарения протекает кипящем чайнике.

Электрическая энергия - движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрон является мельчайшей электрически заряженной частицей, которая в ходит в состав любого атома. Для нейтрального атома суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, а заряд всего атома равен нулю. Если удалить несколько электронов, то сумма зарядов электронов и ядра станет больше нуля. Если добавить лишних то атом приобретет отрицательный заряд. Из физики известно что два противоположно заряженных тела притягиваются. Если на одном теле сосредоточить положительный заряд (удалить с атомов электроны) а на другом отрицательный (добавить электроны), то между ними возникнут силы притяжения, но на больших расстояниях эти силы очень малы. Соединив эти два тела проводником (например металлической проволокой в которой электроны очень подвижны) мы вызовем движение электронов от отрицательно заряженного тела к положительно заряженному телу.

Движущиеся электроны могут совершить работу (например накалить нить электролампы) следовательно заряженные тела обладают энергией. В источнике электрической энергии происходит разделение положительных и отрицательных зарядов замыкая электрическую цепь мы, как бы позволяем разделенным зарядам соединится но при этом заставляем их выполнить необходимую нам работу.

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).

Химическая энергия - это энергия, "запасенная" в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. В автомобильном аккумуляторе при работе происходит выделение электрической энергии, при зарядке происходит поглощение электрической энергии. Гальванические элементы являются источником энергии который характеризуется высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Магнитная энергия - энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но "отдающих" ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

                      Магнитное поле            Магнитное поле соленоида

Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как "оборотную" сторону другой.

Электромагнитная энергия - это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия - это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия - энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного вида энергии - атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия - энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, "запасенная" телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли - энергия силы тяжести.

Необходимо отметить, что в естественнонаучной литературе тепловую, химическую и ядерную энергии иногда объединяют понятием внутренней энергии, т.е. заключенной внутри вещества.

Часто в особый вид энергии выделяют биологическую. Биологические процессы - это особая группа физико-химических процессов, но в которых участвуют те же виды энергии, что и в других.

 Из всех известных видов энергии, а также и перечисленных выше в практике непосредственно используются всего четыре вида: тепловая, (около 70 – 75 %), механическая (около 20 – 22 %), электрическая – около 3 – 5 %, электромагнитная – световая (менее 1 %). Причем широко вырабатываемая, подводимая по проводам в дома, к станкам электрическая энергия выполняет в основном роль переносчика энергии.

 Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира - гравитационную, энергию взаимодействия тел - механическую, энергию молекулярных взаимодействий - тепловую, энергию атомных взаимодействий - химическую, энергию излучения - электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов - ядерную.

 Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИИ. ЭНЕРГИЯ, РАБОТА И МОЩНОСТЬ.

Единицей измерения энергии является 1 Дж (Джоуль). В то же время для измерения количества теплоты используют "старую" единицу - 1 кал (калория) = 4,18 Дж, для измерения механической энергии используют величину 1 кг∙м = 9,8 Дж, электрической энергии - 1 кВт∙ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт∙с.

 Энергию можно рассматривать, как меру способности выполнять работу. Поэтому единицы измерения энергии и работы одни и те же. Наиболее часто используются следующие единицы:

•                  в системе СИ - джоуль (Дж). 1 Дж - это работа силы в 1 Н (ньютон) при перемещении точки ее приложения на 1 м, то есть 1 Дж = 1 Н·м;
•                  калория (кал), 1 кал=4,1868 Дж;
•                  ватт-секунда (Вт·с) - работа, которая производится в течение 1 с при мощности в 1 Вт, 1Вт·с=1Вт·1с=1Дж;
•                  киловатт-час (кВт·ч), 1 кВт·ч = 1000 Вт·3600 с = 3600000 Вт·с = 3600000 Дж.

Тут уместно будет напомнить, что ватт (Вт) - это единица мощности. Мощность равна отношению совершенной работы к промежутку времени, в течение которого она совершалась. Таким образом, 1 Вт=1 Дж/1 с.

Также необходимо упомянуть и такое важное понятие, как условное топливо. Это понятие введено для сопоставления различных видов топлива. Использование условного топлива особенно удобно для сопоставления экономичности различных теплоэнергетических установок. Исторически в СССР, а ныне в странах СНГ, единицей измерения является тонна условного топлива (т.у.т.), равная по своей энергетической ценности тонне угля. За рубежом в качестве эквивалента используется тонна нефти. Энергетическая ценность 1 тонны условного топлива составляет:

 1 топливный тонно-эквивалент по нефти (тнэ) = 41,8 ГДж

 1 топливный тонно-эквивалент по углю (туэ) = 0,7 тнэ = 29,3 ГДж (малозольный сухой уголь)

Для сравнения укажем, что бурые угли имеют теплоту сгорания менее 24 МДж/кг, а антрациты и каменные угли - 23-27 МДж/кг. Соотношение между условным топливом и натуральным выражается формулой:

где Р_УТ - масса эквивалентного количества условного топлива, кг;

      Р_Н  - масса натурального топлива, кг (твердое и жидкое топливо) или м³ - газообразного;

Q - теплота сгорания данного натурального топлива, ккал/кг или ккал/м³.

Отношение Q/7000 называется калорийным коэффициентом, и его принимают для:

- нефти - 1,43;

- природного газа -1,15;

- торфа - 0,34 - 0,41 (в зависимости от влажности);

- торфобрикетов - 0,45 - 0,6 (в зависимости от влажности);

- дизтоплива - 1,45;

- мазута - 1,37.

Теплотворная способность различных видов топлива, ккал/кг, составляет примерно:

нефть                                 -10 000;

природный газ                   -  8 000 (ккал/ м³);

каменный уголь                -   7 000;

дрова влажностью 10 %  -   3 900;

                                 40%  -    2 400;

торф влажности     10%  -    4 100;

                                 40%  -    2 500.

ТРАДИЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.

ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ.

Тепловые электростанции

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в кон. 19 в и получили преимущественное распространение.  В сер. 70-х гг. 20 в. ТЭС — основной вид электрической станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: в России и США св. 80% (1975), в мире около 76% (1973).

 На тепловых электростанциях преобразуется химическая энергия топлива сначала в механическую, а затем в электрическую.

 Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут. Тепловые электрические станции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электростанций (ГРЭС).

 Простейшая принципиальная схема КЭС, работающей на угле, представлена на рис. Уголь подается в топливный бункер 1, а из него — в дробильную установку 2, где превращается в пыль. Угольная пыль поступает в топку парогенератора (парового котла) 3, имеющего систему трубок, в которых циркулирует химически очищенная вода, называемая питательной. В котле вода нагревается, испаряется, а образовавшийся насыщенный пар доводится до температуры 400—650°С и под давлением 3—24 МПа поступает по паропроводу в паровую турбину 4. Параметры пара зависят от мощности агрегатов.

Тепловые конденсационные электростанции имеют невысокий кпд (30— 40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора.

 Сооружать КЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этом потребители    электроэнергии могут находиться на значительном расстоянии от станции.

 Теплоэлектроцентраль отличается  от  конденсационной станции установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью  используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затем поступает в конденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление (на рис. штриховая линия), отбирается от промежуточной ступени турбины и используется для теплоснабжения. Конденсат насосом 7 через деаэратор 8 и далее питательным насосом 9 подается в парогенератор. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприятий в тепловой энергии.

Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60—70%.

 Такие станции строят обычно вблизи потребителей — промышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают на привозном топливе.

 Рассмотренные тепловые электростанции по виду основного теплового агрегата — паровой турбины — относятся к паротурбинным станциям. Значительно меньшее распространение получили тепловые станции с газотурбинными (ГТУ), парогазовыми (ПГУ) и дизельными установками.

 Наиболее экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенно ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора.  

Современные паровые турбины для ТЭС — весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные машины с большим ресурсом работы. Их мощность в одновальном исполнении достигает 1 млн. 200 тыс. кВт, и это не является пределом. Такие машины всегда бывают многоступенчатыми, т. е. имеют обычно несколько десятков дисков с рабочими лопатками и такое же количество, перед каждым диском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление и температура пара постепенно снижаются.

 Из курса физики  известно, что КПД тепловых двигателей увеличивается с ростом начальной температуры рабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

 По мнению ученых в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах. Но структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Широко будет применяться природный газ.

 К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века.

Гидроэлектростанции.

Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами — их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные, удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности и продолжительные сроки строительства, придавалось и придаётся большое значение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.

 Гидроэлектрическая станция, гидроэлектростанция (ГЭС),комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического. оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения  которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.

 Напор ГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной (рис. 1), либо деривацией (рис. 2), либо плотиной и деривацией совместно (рис. 3). Основное энергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции — гидроагрегаты, вспомогательное оборудование,   устройства  автоматического управления и контроля; в центральном посту управления — пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции. Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание ГЭС может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС.

По установленной мощности (в Мвт) различают ГЭС мощные (св. 250), средние (до 25) и малые (до 5). Мощность ГЭС зависит от напора На (разности уровней верхнего и нижнего бьефа), расхода воды, используемого в гидротурбинах, и кпд гидроагрегата . По ряду причин (вследствие, например сезонных изменений уровня воды в водоёмах, непостоянства нагрузки энергосистемы, ремонта гидроагрегатов или гидротехнических сооружений и т. п.) напор и расход воды непрерывно меняются, а кроме того, меняется расход при регулировании мощности ГЭС. Различают годичный, недельный и суточный циклы режима работы ГЭС.

 По максимально используемому напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 25 м). На равнинных реках напоры редко превышают 100 м, в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации — до 1500 м. Классификация по напору приблизительно соответствует типам применяемого энергетического оборудования: на высоконапорных ГЭС применяют ковшовые и радиально-осевые  турбины с металлическими спиральными камерами; на средненапорных — поворотнолопастные и радиально-осевые турбины с железобетонными и металлическими спиральными камерами, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных спиральных камерах, иногда горизонтальные турбины в капсулах или в открытых камерах. Подразделение ГЭС по используемому напору имеет приблизительный, условный характер.

 По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.  В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке реки площадь затопления уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые и приплотинныс ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.

В состав сооружений русловой ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС и водосбросные сооружения (рис. 4). Состав гидротехнических сооружений зависит от высоты напора и установленной мощности. У русловой ГЭС здание с размещенными в нём гидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создаёт напорный фронт. При этом с одной стороны к зданию ГЭС примыкает верхний бьеф, а с другой — нижний бьеф. Подводящие спиральные камеры гидротурбин своими входными сечениями закладываются под уровнем верхнего бьефа, выходные же сечения отсасывающих труб погружены под уровнем нижнего бьефа.

 В соответствии с назначением гидроузла в его состав могут входить судоходные шлюзы или судоподъёмник, рыбопропускные сооружения, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения. В русловых ГЭС иногда единственным сооружением, пропускающим воду, является здание ГЭС. В этих случаях полезно используемая вода последовательно проходит входное сечение с мусорозадерживающими решётками, спиральную камеру, гидротурбину, отсасывающую трубу, а по спец. водоводам между соседними турбинными камерами производится сброс паводковых расходов реки. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30 - 40м к простейшим русловым ГЭС относятся также ранее строившиеся сельские ГЭС небольшой мощности. На крупных равнинных реках основное русло перекрывается земляной плотиной, к которой примыкает бетонная водосливная плотина и сооружается здание ГЭС. Такая компоновка типична для многих российских ГЭС на больших равнинных реках.                         

Атомные электростанции.

При исследовании распада атомных ядер оказалось, что каждое ядро весит меньше, чем сумма масс его протонов и нейтронов. Это объясняется тем, что при объединении протонов и нейтронов в ядро выделяется много энергии. Убыль массы ядер на 1 г эквивалентна такому количеству тепловой энергии, какое получилось бы при сжигании 300 вагонов каменного угля. Не удивительно поэтому, что исследователи приложили все силы, стремясь найти ключ, который позволил бы “открыть” атомное ядро и высвободить скрытую в нем огромную энергию.

 Вначале эта задача казалась неразрешимой. В качестве инструмента ученые не случайно выбрали нейтрон. Эта частица электрически нейтральна, и на нее не действуют электрические силы отталкивания. Поэтому нейтрон легко может проникнуть в атомное ядро. Нейтронами бомбардировали ядра атомов отдельных элементов. Когда же очередь дошла до урана, обнаружилось, что этот тяжелый элемент ведет себя иначе, чем другие. Следует напомнить, что встречающийся в природе уран содержит три изотопа: уран-238   (238U),   уран-235 (235U) и уран-234 (234U), причем цифра означает массовое число.

 Атомное ядро урана-235 оказалось значительно менее устойчивым, чем ядра других элементов и изотопов. Под действием одного нейтрона наступает деление (расщепление) урана, его ядро распадается па два приблизительно одинаковых осколка, например на ядра криптона и бария. Эти осколки с огромными скоростями разлетаются в разных направлениях.

Но главное в этом процессе, что при распаде одного ядра урана возникают два-три новых свободных нейтрона. Причина заключается в том, что тяжелое ядро урана содержит больше нейтронов, чем их требуется для образования двух меньших атомных ядер. “Строительного материала” слишком много, и атомное ядро должно от него избавиться.

Каждый из новых нейтронов может сделать то же, что сделал первый, когда расщепил одно ядро. В самом деле, выгодная калькуляция: вместо одного нейтрона получаем два-три с такой же способностью расщепить следующие два-три ядра урана-235. И так продолжается дальше: происходит цепная реакция, и, если ею не управлять, она приобретает лавинный характер и заканчивается мощнейшим взрывом - взрывом атомной бомбы.

                            Фото:Corbis                                                          Франция, 1970 год

Научившись регулировать этот процесс, люди получили возможность практически непрерывно получать энергию из атомных ядер урана. Управление этим процессом осуществляют в ядерных реакторах.

  Нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества. Она безусловно будет развиваться и впредь, без отказано поставляя столь необходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительные меры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а ученые и инженеры сумеют найти необходимые решения.                                                                                                    

ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕТРАДИЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Солнечная энергия

Максимальная мощность солнечного излучения составляет 1.000 ватт на один квадратный метр земной поверхности:

Непосредственное преобразование солнечного излучения в электрический ток производится с помощью так называемых солнечных батарей (фотогальванической установки). В настоящее время они изготавливаются почти исключительно из кремния – материала, получаемого из кварцевого песка, имеющегося почти в неограниченном количестве.

 Солнечные батареи изготавливаются из разного кремния:

•   из монокристаллического кремния, КПД которого

колеблется от 15 до 20 %;

•   из поликристаллического кремния с КПД от 13 до 18 %;

•   из аморфного кремния с КПД от 5 до 8 %.

Если солнце светит в условиях тумана, облачности или же находится низко над горизонтом, то оно светит «вполсилы», а это значит, что и солнечная батарея работает лишь вполовину своей производительности. Наибольшего КПД фотогальваническая установка достигает при перпендикулярном облучении. Установка с жестким креплением должна быть расположена по возможности под углом в 30 градусов и направлена на юг.

 Также для получения солнечной энергии используют коллекторы. Коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточивает падающее излучение в малом объеме около определенной геометрической точки – фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированной пластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных к большому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу – это позволяет собирать возможно большее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространстве зеркальных коллекторов достигает 3000°С и выше. С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция.

Ветровая энергия

Ветровая энергия использовалась человеком с давних времен для приведения в движение лодок и судов, ветряных мельниц и водоподъемников. В настоящее время ветровые установки применяются более чем в 30 странах. Использование энергии ветра возможно только в тех местах, где средняя скорость ветра на протяжении года составляет в пределах 4 м/с, или 14,4 км/ч и более. Наиболее сильные и устойчивые ветры в Европе имеют место на морском побережье в Ирландии, Шотландии, в отдельных районах Дании, Голландии, Франции, Испании, на юго-западе Англии и в Уэльсе, а также на большей части морского побережья Северной и Южной Америки, северной части Азии и Южной Австралии, где и получает развитие производство электроэнергии с помощью ветра.

 Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75–95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30–40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15–30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.                                     

Геотермальная энергия

Геотермальные ресурсы представляют собой запасы термальных вод, к которым относятся подземные воды, естественных коллекторов геотермальной энергии - природных теплоносителей (воды, пара и пароводяных смесей). Для практического использования они подразделяются на несколько классов:

- низкопотенциальные (с температурой 20 ... 100 °С), используемые для теплотехнических нужд;

- среднепотенциалъные (с температурой 100 ... 150 °С), используемые для теплоснабжения;

- высокопотенциальные (более 150 °С), используемые для выработки электроэнергии.

 Термальные воды с более высокой температурой (150 ... 350 °С) из-за технических трудностей обращения с ними пока не нашли своего применения.

 Небольшая северная страна Исландия практически не имеет других источников энергии, кроме как энергию от тепла земли в виде знаменитых гейзеров-фонтанов горячей воды. Благодаря им многочисленные исландские теплицы, обогреваемые подземными источниками, полностью обеспечивают страну помидорами, яблоками и даже бананами. Столица страны Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников.

 Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция была построена в 1904 году в Италии. В настоящее время такие электростанции существуют в ряде стран (Новая Зеландия, США и др.).

 В отличие от многих других источников возобновляемой энергии, тепловая энергия Земли доступна днем и ночью, зимой и летом. На нее не влияют капризы погоды, и это делает ее очень привлекательной для использования. Значительные запасы термальных вод имеются на Дальнем Востоке России. А в Грузии, например, запасы их составляют 220-250 млн м³/год. В 1999 г. они добывались в 23 месторождениях, общий тепловой потенциал составлял 120 тыс. Гкал в год, что эквивалентно 105 тыс. т у. т. в год. 

Приливные электростанции

Приливная электростанция (ПЭС) - преобразует энергию морских приливов в электрическую. Действующие ПЭС - р. Ранс во Франции мощностью 240 МВт, в губе Кислой на Баренцевом м. в Российской Федерации, близ Шанхая в Китае и др.

 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ (УСЛУГИ С ПОМОЩЬЮ ЭНЕРГИИ).

Энергия, заключенная в нефти, газе, или другом энергоносителе, сама по себе не является ни полезной, ни вредной. Но работа и другие полезные способы применения энергии, которые могут быть произведены при помощи источников энергии, — это основные и подчас необходимые элементы нашей повседневной жизни. Множество различных источников энергии может быть использовано для получения света, тепла, механической работы и для других полезных целей. Такое использование источников энергии мы называем энергетическими услугами. Итак, энергия необходима для того, чтобы начать какое-либо движение, ускорить перемещение, что-то поднять, нагреть, охладить и осветить.

 Существует четыре основные цели применения энергии. Основные группы энергетических услуг. Которые могут быть обеспечены различными источниками энергии:

• Нагревание

• Охлаждение

• Освещение

• Механическая работа

 При этом энергия, полученная от различных источников, преобразовывается из одной формы в другую, и полезной может являться в разных случаях разная форма энергии.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

 При любых физических или химических взаимодействиях, при любом перемещении вещества из одного места в другое энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одного вида в другой.

 Другими словами, энергия, полученная или затраченная какой-либо живой или неживой системой, должна быть равна той энергии, которую одновременно получила от системы или отдала ей окружающая ее среда. Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен ее затратам; нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.

 Другая особенность превращения энергии из одного вида в другой - всегда происходит снижение качества энергии, или уменьшается количество полезной энергии. 

 Закон снижения качества энергии известен как второй закон термодинамики. Рассмотрим следующий пример:

 Когда электрическая энергия проходит через нить лампы накаливания, 5% этой энергии превращается по назначению в световое излучение, а 95% в виде тепла рассеивается в окружающей среде.

ВОЗМОЖНЫЕ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЦЕПОЧКА.

Непосредственное использование природных источников энергии.

Преобразование с использованием паровой машины

Преобразование с использованием электроэнергии

Преобразование энергии в промышленной энергетике

Как было сказано выше производство электроэнергии является отдельной отраслью промышленности. В настоящее время наибольшую долю электроэнергии производят на трех видах электростанций:

1.    ГЭС (гидроэлектростанция)
2.    ТЭС (теплоэлектростанция)
3.    AЭС (атомная электростанция)

Рассмотрим преобразование энергии на этих видах электростанций:

ГЭС

ТЭЦ

При использование тепловой энергии пара в цепочки преобразования энергии появляется возможность использовать часть тепловой энергии для обогрева (показано пунктиром) или для нужд производства.

АЭС (с одноконтурным реактором)

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ.

Человечеству нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления. Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

 Энергосбережение – это уменьшение потребления топлива, тепловой и электрической энергии за счет их наиболее полного и рационального использования во всех сферах деятельности человека.

 Можно выделить три основные направления энергосбережения:

•  полезное использование (утилизация) энергетических потерь,

•  модернизация оборудования с целью уменьшения потерь энергии,

•  интенсивное энергосбережение.

 Примером утилизации энергетических потерь может служить использование тепловых «отходов» промышленного производства для обогрева теплиц.

 При модернизации уменьшаются потери энергии в уже действующем оборудовании, но не изменяются сами принципы технологии и техники. Например, установка систем автоматического регулирования процессов горения на котлах электростанций, уплотнение окон и дверей при ремонте зданий, использование окон с тройным остеклением, и т. д.

 Интенсивное энергосбережение подразумевает полную реконструкцию оборудования и введение новых принципов его работы, существенно сокращающих потребление энергии. Примером может служить замена двигателей внутреннего сгорания в автомобилях на электродвигатели с питанием от солнечных элементов (электромобили).

Используемые учебно-методические материалы:

1. Самойлов М.В. «Основы энергосбережения: Учебное пособие.» Мн.: БГЭУ, 2002. 198 стр.
2.  ЭНЕРГИЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА. Учебное пособие для средней школы. - СПб. 2008. - 88 стр., илл. (SPARE Международный школьный проект использования ресурсов и энергии).
3. Основы энергосбережения: учебник / Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков; под ред. НИ. Данилова. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 564 стр.
4. Л. Д. Белькинд «История энергетической техники», Издание второе, переработанное, Ленинград, 1960 г.; 664 стр.
5. http://revolution.allbest.ru/physics/00005460.html. Дипломная работа. Прислал: Bondar Artem.
6. http://www.fieldphysics.ru/energy/  Энергия в Полевой физике.
7. http://sch5.ru/asp/infoteka/index.asp?main=&id_folder=7
8. http://www.physics.bsu.by/energysaving/energysaving/units.html
9. http://www.technopark.by/iccee/
   1. Информационно-консультационный центр по энергосбережению (ИКЦЭ)
10. http://www.technopark.by/files/gl1.mht
11. Тарнижевский Б[1]. - Не панацея и не блажь. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии
12. http://ru.wikipedia.org/wiki/
13. http://www.genshiken.ru/wiki/
14. http://www.fotolia.com/
15. http://www.varorud.org/old/analitics/security/security090403.html
16. http://www.edu.ru (Каталог образовательных интернет-ресурсов)
17. CD - TIG Welding (Miller)
18. www.allbest.ru - работа № 00005460
19. http://collection.cross-edu.ru
20. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc3p/243858
21. http://www.ucheba.ru/referats/10766.html
22. httpwww.dreamstime.com
23. www.allbest.ru - работа № 00030489