Zaradi razvoja proizvodnih tehnologij in znatnega poslabšanja okoljskih razmer v mnogih regijah sveta se človeštvo sooča s problemom iskanja novih virov energije. Po eni strani mora količina proizvedene energije zadostovati za razvoj proizvodnje, znanosti in javnega sektorja, po drugi strani pa proizvodnja energije ne sme negativno vplivati na okolje.
Ta formulacija vprašanja je privedla do iskanja tako imenovanih alternativnih virov energije - virov, ki izpolnjujejo zgornje zahteve. S prizadevanji svetovne znanosti je bilo odkritih veliko takih virov, ta trenutek večina jih je že v bolj ali manj razširjeni uporabi. Predstavljamo vam kratek pregled le-teh:
Sončna energija
V več kot 80 državah se aktivno uporabljajo sončne elektrarne, ki pretvarjajo sončno energijo v električno. Obstajajo različni načini takšne predelave in temu primerno tudi različne vrste sončnih elektrarn. Najpogostejše postaje so tiste, ki uporabljajo fotoelektrične pretvornike (fotocelice), združene v solarne panele. Večina največjih fotovoltaičnih naprav na svetu je v ZDA.
Vetrna energija
Vetrne elektrarne (vetrne elektrarne) se zelo uporabljajo v ZDA, na Kitajskem, v Indiji, pa tudi v nekaterih zahodnoevropskih državah (na primer na Danskem, kjer se na ta način proizvede 25 % vse električne energije). Vetrna energija je zelo obetaven vir alternativne energije, trenutno številne države znatno širijo uporabo tovrstnih elektrarn.
Biogoriva
Glavni prednosti tega energenta pred drugimi vrstami goriva sta njegova prijaznost do okolja in obnovljivost. Vse vrste biogoriv ne veljajo za alternativne vire energije: tradicionalna drva so prav tako biogorivo, vendar niso alternativni vir energije. Alternativna biogoriva so lahko trdna (šota, lesnopredelovalni in kmetijski odpadki), tekoča (biodizel in biokurilno olje, pa tudi metanol, etanol, butanol) in plinasta (vodik, metan, bioplin).
Energija plimovanja in valovanja
Za razliko od tradicionalne hidroelektrarne, ki izkorišča energijo vodnega toka, alternativna hidroelektrarna še ni postala razširjena. Glavne slabosti elektrarn na plimovanje so visoki stroški njihove izgradnje in dnevne spremembe moči, zaradi česar je tovrstne elektrarne priporočljivo uporabljati le kot del elektroenergetskih sistemov, ki uporabljajo tudi druge vire energije. Glavne prednosti so visoka okoljska prijaznost in nizki stroški proizvodnje energije.
Toplotna energija Zemlje
Za razvoj tega vira energije se uporabljajo geotermalne elektrarne, ki uporabljajo energijo visokotemperaturne podzemne vode, pa tudi vulkanov. Trenutno je bolj razširjena hidrotermalna energija, ki izkorišča energijo toplih podzemnih vrelcev. Petrotermalna energija, ki temelji na uporabi "suhe" toplote iz zemeljske notranjosti, je trenutno slabo razvita; glavni problem se šteje za nizko donosnost ta metoda pridobivanje energije.
Atmosferska elektrika
(Strele na zemeljskem površju se pojavljajo skoraj istočasno na različnih mestih na planetu.)
Energija neviht, ki temelji na zajemanju in kopičenju energije strele, je še v povojih. Glavni problemi nevihtne energije so gibljivost nevihtnih front, pa tudi hitrost atmosferskih električnih razelektritev (strele), ki otežujejo akumulacijo njihove energije.
3.1 Energija in njene vrste
3.2 Metode pridobivanja in pretvorbe energije
3.3 Električne in toplotne obremenitve ter metode za njihovo regulacijo
3.4 Neposredna pretvorba sončne energije v toploto in elektriko
3.5 Energija vetra
3.6 Hidroenergija
3.7 Bioenergija
3.8 Prevoz termalnih in električna energija
3.8.1 Prenos toplotne energije
3.8.2 Prenos električne energije
3.9 Energetski management industrijskih podjetij
3.1 Energija in njene vrste
Energija(iz grščine energeie - delovanje, dejavnost) je splošno kvantitativno merilo gibanja in medsebojnega delovanja vseh vrst snovi. To je zmožnost opravljanja dela, delo pa je opravljeno, ko na predmet delujemo fizična moč(tlak ali gravitacija). delo- to je energija v akciji.
V vseh mehanizmih se pri delu energija spreminja iz ene vrste v drugo. Toda hkrati je nemogoče pridobiti več energije ene vrste kot druge med katero koli njeno transformacijo, saj je to v nasprotju z zakonom o ohranjanju energije.
Razlikujemo naslednje vrste energije: mehansko; električni; termični; magnetni; atomsko.
Električni energija je ena od popolnih vrst energije. Njegova široka uporaba je posledica naslednjih dejavnikov:
Pridobivanje velikih količin v bližini nahajališč virov in vodnih virov;
Možnost prevoza na dolge razdalje z relativno majhnimi izgubami;
Sposobnost pretvorbe v druge vrste energije: mehansko, kemično, toplotno, svetlobno;
Brez onesnaževanja okolja;
Uvedba bistveno novih naprednih tehnoloških procesov z visoko stopnjo avtomatizacije na osnovi električne energije.
Toplotna energija se pogosto uporablja v sodobni industriji in v vsakdanjem življenju v obliki parne energije, topla voda, produkti zgorevanja goriva.
Pretvorba primarne energije v sekundarno energijo, zlasti v električno energijo, se izvaja na postajah, ki v svojem imenu vsebujejo navedbo, kakšna vrsta primarne energije se na njih pretvarja v električno energijo:
V termoelektrarni (TE) - toplotna;
Hidroelektrarne (HE) - mehanske (energija gibanja vode);
Črpalna postaja (ČHE) - mehanska (energija gibanja vode, predhodno napolnjene v umetnem rezervoarju);
Jedrska elektrarna (NEK) - jedrska (energija jedrskega goriva);
Elektrarna na plimovanje (TE) - plimovanje.
V Republiki Belorusiji se več kot 95% energije proizvede v termoelektrarnah, ki so glede na namen razdeljene na dve vrsti:
kondenzacijske termoelektrarne (SPTE), namenjene samo proizvodnji električne energije;
Toplotne in elektrarne (SPTE), kjer se izvaja soproizvodnja električne in toplotne energije.
3.2 Metode pridobivanja in pretvorbe energije
Termoelektrarna vključuje komplet opreme, v kateri notranji kemična energija gorivo (trdno, tekoče ali plinasto) se pretvori v toplotno energijo vode in pare, ki se pretvori v mehanska energija vrtenje, ki ustvarja električno energijo. Diagram proizvodnje električne energije v termoelektrarnah je prikazan na sliki 6.
Kot je razvidno iz predstavljenega diagrama, gorivo, ki se dovaja iz skladišča (C) v generator pare (SG), med zgorevanjem sprošča toplotno energijo, ki jo pri segrevanju vode, dobavljene iz dovoda vode (IW), pretvori v energijo vodne pare s temperaturo 550 °C. V turbini (T) se energija vodne pare pretvarja v mehansko rotacijsko energijo, ki se prenaša na generator (G), ki jo pretvarja v električno energijo. V parnem kondenzatorju (K) izpušna para s temperaturo 123 ... 125 ° C odda latentno toploto uparjanja hladilni vodi in se s pomočjo krožne črpalke (H) ponovno dovaja v obliki kondenzat v generator pare kotla.
Slika 6 - Shema delovanja termoelektrarne
Zasnova kombinirane toplotne in elektrarne se od termoelektrarne razlikuje po tem, da je namesto kondenzatorja nameščen toplotni izmenjevalnik, kjer para pod znatnim pritiskom segreva vodo, ki se dovaja v glavne ogrevalne vode.
Kotlovnica je sklop naprav za proizvodnjo pare pod pritiskom ali tople vode. Sestavljen je iz kotlovske enote in pomožne opreme, plinovodov in zračnih cevi, parovodov in vodovodov z armaturami, vlečnih naprav itd.
okrožje, ali industrijske kotlovnice so zasnovane za centralizirano oskrbo s toploto stanovanjskih in komunalnih storitev ali samega podjetja. Z zagonom termoelektrarn so nekatere od njih ostale v mirovanju in se lahko uporabljajo kot rezervne in vršne in se takrat imenujejo rezervne vršne.
Tovarna plinskih turbin- to je motor, v katerem je rezilni aparat potencialna energija plin se pretvori v kinetično energijo in nato delno pretvori v mehansko delo, ki se pretvori v električno energijo.
Slika 7 - Diagram plinskoturbinske naprave z oskrbo s toplotno energijo pri = const
1 - zračni kompresor; 2 - plinska turbina; 3 - električni generator; 4 - črpalka za gorivo; 5 - zgorevalna komora
V najpreprostejši plinski turbini s kontinuiranim zgorevanjem (slika 7) zrak, stisnjen na določen tlak v kompresorju 1, vstopi v zgorevalno komoro 5, kjer se njegova temperatura poveča zaradi zgorevanja goriva, ki ga dovaja črpalka za gorivo 4 pri konstantnem tlaku. Produkti zgorevanja pod pritiskom in pri visoki temperaturi se dovajajo v turbino 2, v kateri se izvaja ekspanzijsko delo plina. Hkrati padeta tlak in temperatura. Nato se produkti zgorevanja sprostijo v ozračje.
Tovarna s kombiniranim ciklom je turbinska termoelektrarna, katere toplotni krog uporablja dve delovni tekočini - vodno paro in dimne pline, ki prihajajo iz kotlovske enote.
Zrak, ki vstopa v kompresor 1 (slika 8) iz atmosfere, se stisne z naraščajočo temperaturo in dovaja v zgorevalno komoro 5, v katero se gorivo vbrizga s pomočjo črpalke za gorivo. Zgorevanje goriva poteka v zgorevalni komori 5, nastali plini pa vstopajo v plinsko turbino 2, kjer se izvaja delo.
Slika 8 - Shema naprave s kombiniranim ciklom
1 - zračni kompresor; 2 - plinska turbina; 3 - električni generator; 4 – črpalka za gorivo; 5 - zgorevalna komora; 6 - grelec; 7 - kotel; 8 - parna turbina; 9 - kondenzator vodne pare; 10 - dovodna črpalka
Izpušni plini s temperaturo 350 ° C in znižanim tlakom vstopijo v grelnik 6, kjer sprostijo del toplote za ogrevanje napajalne vode, ki vstopa v kotel 7, in se po ohlajanju odvajajo v ozračje. Napajalna voda se uporablja v kotlu za proizvodnjo pare, ki vstopa v parno turbino 8 pri temperaturi
540 °C. V njem se para širi in proizvaja tehnično delo. Para, izpuščena v turbini, vstopi v kondenzator 9, v katerem se kondenzira, nastali kondenzat pa se s pomočjo črpalke 10 pošlje najprej v grelnik 6, kjer sprejme toploto plinov, izpuščenih v plinski turbini, nato pa v parni kotel 7. Pretoka pare in plina sta izbrana tako, da voda absorbira največjo količino toplote iz plinov. Toplotni izkoristek inštalacij je preko 60 %.
Implementacija dveh parnih turbinskih enot v Vitebskem proizvodnem združenju "Vityaz", ki lahko proizvedeta 1500 kW električne energije (vsak po 750 kW) in mesečno prihranita do 30 tisoč dolarjev pri nakupu energije, kaže, kako učinkovita je implementacija parne turbine je. Vračilna doba projekta je nekaj več kot eno leto.
Hidroelektrarna je kompleks hidravličnih objektov in energetske opreme, skozi katere teče energija vode ali se nahaja na relativno več visoke ravni rezervoarjev pretvarja v električno energijo.
Tehnološki proces proizvodnje električne energije v hidroelektrarnah vključuje:
Ustvarjanje različnih nivojev vode v zgornjem in spodnjem bazenu;
Pretvarjanje energije vodnega toka v vrtilno energijo gredi hidravlične turbine;
Pretvorba rotacijske energije v energijo električnega toka s hidrogeneratorjem.
Črpalni rezervoar elektrarna je hidroelektrarna, v kateri je pretok vode v gorvodno akumulacijo zagotovljen umetno, s črpalkami, ki jih napaja električna energija iz sistema. Poleg turbin je opremljen s črpalkami (črpalkami) ali samo turbinami, ki lahko delujejo v črpalnem načinu (obratne turbine) za dvigovanje vode v urah nizke obremenitve v elektroenergetskem sistemu iz spodnjega bazena v zgornji rezervoar s priključitvijo na napajanje. sistem. Črpalne elektrarne ob visokih obremenitvah delujejo kot klasične hidroelektrarne.
Toplotni diagrami jedrskih elektrarn odvisno od vrste reaktorja; vrsta hladilne tekočine; sestava opreme in je lahko eno-, dvo- in trikrožna.
Shema proizvodnje električne energije za enokrožni Jedrska elektrarna je prikazana na sliki 9. Para nastaja neposredno v reaktorju in vstopa v parno turbino. Izpušna para se kondenzira v kondenzatorju, kondenzat pa se črpa v reaktor. Shema je preprosta in ekonomična. Vendar para (delovna tekočina) na izhodu iz reaktorja postane radioaktivna, kar postavlja povečane zahteve po biološki zaščiti in otežuje nadzor in popravilo opreme.
Slika 9 - Toplotni diagram najpreprostejše jedrske elektrarne z enim krogom
1 - jedrski reaktor; 2 - turbina; 3 - električni generator; 4- kondenzator vodne pare; 5 - dovodna črpalka
IN dvojno vezje V shemah za proizvodnjo jedrske energije obstajata dva neodvisna tokokroga (slika 10) - hladilno sredstvo in delovna tekočina. Njihova skupna oprema je uparjalnik, v katerem hladilno sredstvo, segreto v reaktorju, predaja svojo toploto delovni tekočini in se s pomočjo obtočne črpalke vrača v reaktor.
Slika 10 - Toplotni diagram najpreprostejše jedrske elektrarne z dvojnim krogom
1 - jedrski reaktor; 2 - toplotni izmenjevalnik-generator pare; 3 - glavna obtočna črpalka; 4 - turbina; 5 - električni generator; 6 - kondenzator vodne pare; 7 - dovodna črpalka
Tlak v prvem krogu (hladilni krog) je znatno višji kot v drugem. Para, ki nastane v toplotnem generatorju, se dovaja v turbino, opravi delo, nato kondenzira, kondenzat pa dovaja dovodna črpalka v generator pare. Čeprav uparjalnik otežuje namestitev in zmanjšuje učinkovitost, preprečuje radioaktivnost v sekundarnem krogu.
IN trikrožni V shemi tekoče kovine (na primer natrij) služijo kot primarna hladilna sredstva. Radioaktivni natrij iz reaktorja pride v vmesni toplotni izmenjevalnik z natrijem, kateremu preda toploto in se vrne v reaktor. Tlak natrija v drugem krogu je višji kot v prvem, kar izključuje uhajanje radioaktivnega natrija. V vmesnem drugem krogu natrij predaja toploto delovni tekočini (vodi) tretjega kroga. Nastala para vstopi v turbino, opravi delo, kondenzira in vstopi v generator pare.
Shema treh krogov je draga, vendar zagotavlja varno delo reaktor.
Razlika med termoelektrarnami in jedrskimi elektrarnami je v tem, da je vir toplote pri termoelektrarnah parni kotel, v katerem zgoreva organsko gorivo; v jedrski elektrarni - jedrski reaktor, v katerem se toplota sprošča s cepitvijo jedrskega goriva, ki ima visoko kalorično vrednost (milijonkrat višjo od organskega goriva). En gram urana vsebuje 2,6 10 jeder, katerih cepitev sprosti 2000 kWh energije. Za pridobitev enake količine energije morate zakuriti več kot 2000 kg premoga.
Vendar pa med delovanjem jedrskih elektrarn nastane velika količina radioaktivnih snovi v gorivu, hladilni tekočini in konstrukcijskih materialih. Zato je jedrska elektrarna vir sevalne nevarnosti za obratovalno osebje in prebivalstvo, ki živi v bližini, kar povečuje zahteve po zanesljivosti in varnosti njenega delovanja.
Termoelektrarna(SPTE) je termoelektrarna, ki poleg električne energije proizvaja tudi toploto, ki jo dobavlja porabnikom v obliki pare in tople vode za gospodinjske potrebe. S tako kombinirano proizvodnjo toplotne in električne energije se v ogrevalnem omrežju sprošča predvsem toplota pare (ali plina), izpuščene v turbinah, kar vodi do zmanjšanja porabe goriva za 25-30% v primerjavi z ločeno proizvodnjo energije. na CPE ali državnih daljinskih elektrarnah (državne elektrarne) in toploto v daljinskih kotlovnicah.
Zajete težave:
1. Opredelitev energije.
2. Vrste energije
3. Namembnost in raba energije.
V svetu okoli nas materija obstaja v obliki snovi, polja in fizičnega vakuuma. V obliki snovi in polja ima snov maso, gibalno količino in energijo. Nujen pogoj vsako delovanje, interakcija in obstoj nasploh je poraba energije, izmenjava energije. V človeški družbi je raven kulture, tako materialne kot duhovne, tesno povezana s količino porabljene energije. Stopnja razpoložljivosti energije določa gospodarstvo katere koli države. Kaj je torej energija?
1. Energija in njene vrste
Energija- univerzalna osnova naravnih pojavov, osnova kulture in vse človeške dejavnosti. Hkrati energija pomeni kvantifikacija različne oblike gibanja snovi, ki se lahko spreminjajo eno v drugo.
Po konceptih fizikalne znanosti je energija To je sposobnost telesa ali sistema teles za opravljanje dela.
V naravi je približno 20 znanstveno dokazanih vrst energije. Obstajajo tudi različne klasifikacije vrst in oblik energije. Človek se v svojem vsakdanjem življenju najpogosteje srečuje naslednje vrste energija: mehanske, električne, elektromagnetne, toplotne, kemične, atomske (znotrajjedrske), gravitacijske in druge vrste. V praksi se neposredno uporabljajo le 4 vrste energije: toplotna ( 70-75%), mehanski (20-22%), električni(3-5%), elektromagnetni– lahka (15%).
Več kot dve tretjini vse porabljene energije se porabi v obliki toplote za tehnične potrebe, ogrevanje, kuhanje, preostali del se porabi v obliki mehanske energije, predvsem v transportnih napravah, in električne energije. Poleg tega se delež porabe električne energije nenehno povečuje.
če energija– rezultat spremembe stanja gibanja materialnih točk ali teles, tedaj se imenuje kinetična; vključuje mehansko energijo gibanja teles, toplotno energijo zaradi gibanja molekul.
Če je energija posledica spremembe relativne razporeditve delov danega sistema ali njegovega položaja glede na druga telesa, potem jo imenujemo potencial; vključuje energijo mas, ki jih privlači zakon univerzalne gravitacije, energijo položaja homogenih delcev, na primer energijo elastičnega deformiranega telesa, kemično energijo.
Energija v naravoslovju je glede na njeno naravo razdeljena na naslednje vrste.
Mehanska energija– se manifestira med interakcijo, gibanjem posameznih teles ali delci. Vključuje energijo gibanja ali vrtenja telesa, energijo deformacije pri upogibanju, raztezanju, zvijanju in stiskanju prožnih teles (vzmeti). Ta energija se najbolj uporablja v različnih strojih – transportnih in tehnoloških.
Termalna energija– energija neurejenega (kaotičnega) gibanja in interakcije molekul snovi. Toplotna energija, najpogosteje pridobljena z zgorevanjem različnih vrst goriv, se pogosto uporablja za ogrevanje in izvajanje številnih tehnoloških procesov (segrevanje, taljenje, sušenje, izhlapevanje, destilacija itd.).
Električna energija– energija elektronov (električni tok), ki se gibljejo po električnem tokokrogu. Električna energija se uporablja za ustvarjanje mehanske energije z uporabo elektromotorjev in priključkov mehanski procesi predelava materialov: drobljenje, mletje, mešanje; za izvajanje elektrokemijskih reakcij; pridobivanje toplotne energije v električnih grelnih napravah in pečeh; za direktno obdelavo materialov (elektroerozijska obdelava).
Ta vrsta energije je najnaprednejša zaradi naslednjih dejavnikov:
Možnost pridobivanja v velikih količinah v bližini nahajališč fosilnih goriv ali vodnih virov;
Enostavnost prevoza na dolge razdalje z relativno majhnimi izgubami;
Sposobnost preoblikovanja v druge vrste energije;
Brez onesnaževanja okolja;
Možnost ustvarjanja bistveno novih tehnoloških procesov z visoko stopnjo avtomatizacije in robotizacije proizvodnje.
Magnetna energija– energija trajnih magnetov, ki imajo veliko zalogo energije, a jo zelo neradi »oddajajo«. Ko električni tok teče skozi tokokrog, se okoli prevodnika ustvari magnetno polje. Električna in magnetna energija sta med seboj tesno povezani, vsako od njiju lahko obravnavamo kot "hrbtno" stran druge. Ker sta električna in magnetna energija tesno povezani, se v praksi uporablja koncept elektromagnetne energije.
Elektromagnetna energija– je energija elektromagnetnega valovanja, tj. gibljiva električna in magnetna polja. Vključuje vidno svetlobo, infrardeče, ultravijolične, rentgenske žarke in radijske valove.
Navedena območja sevanja se razlikujejo po valovni dolžini (in frekvenci):
Radijski valovi - več kot 10 -2 cm;
Infrardeče sevanje – 2*10 -4 – 7,4*10 -5;
Vidna svetloba - 7,4*10 -5 -4*10 -5; (420-760 nm);
Ultravijolično sevanje - 4*10 -5 -10 -6;
Rentgensko sevanje – 10 -5 -10 -12;
Gama sevanje - več kot 10 -12 cm.
Jedrska energija– energija, lokalizirana v jedrih atomov radioaktivnih snovi. Sprošča se med cepitvijo težkih jeder ( jedrska reakcija) ali sinteza lahkih jeder (termonuklearna reakcija).
Za to vrsto energije obstaja tudi staro ime - atomska energija, vendar to ime ne odraža natančno bistva pojavov, ki vodijo do sproščanja ogromnih količin energije, največkrat v obliki toplotne in mehanske.
Gravitacijska energija- energija, ki jo povzroča interakcija (gravitacija) masivnih teles, je še posebej opazna v vesolju. V kopenskih razmerah je to na primer energija, ki jo "shranjuje" telo, dvignjeno na določeno višino nad zemeljsko površino - energija gravitacije.
Pogosto izolirani v posebne vrste energije biološko in duševno energija. Vendar pa so po sodobnih naravoslovnih pogledih duševni in biološki procesi posebna skupina fizikalno-kemijskih procesov, ki pa potekajo na podlagi zgoraj opisanih vrst energije.
Tako lahko glede na stopnjo manifestacije ločimo energija makrokozmosa– gravitacijska, energija interakcij teles – mehanska, energija molekulskih interakcij – toplotna,
Proti energiji, oblikovan na ravni mikrosvet, vključujejo – energijo atomskih interakcij – kemijske; energija sevanja – elektromagnetna; energija, ki jo vsebujejo jedra atomov – jedrska.
Sodobna znanost ne izključuje obstoja drugih vrst energije, ki še niso bile zabeležene, vendar ne kršijo enotne naravoslovne slike sveta ter koncepta energije in zakona o ohranitvi energije.
V mednarodnem sistemu enot SI kot energijske enote sprejeto Joule(J). 1 J ekvivalent
1 newton x meter (Nm). Če so izračuni povezani s toploto, z izračunom energije bioloških objektov in mnogih drugih vrst energije, potem se kot enota energije uporablja zunajsistemska enota - kalorij(cal) ali kilokalorija (kcal), 1cal = 4,18 J. Za merjenje električne energije se uporablja enota, kot je npr. Vatna ura(Wh, kWh, MWh), 1 Wh=3,6 MJ. Za merjenje mehanske energije uporabite vrednost 1 kg m = 9,8 J.
Energija, pridobljena neposredno iz narave (energija goriva, vode, vetra, toplotna energija Zemlje, jedrska energija), ki se lahko pretvori v električno, toplotno, mehansko, kemično imenujemo primarni. V skladu s klasifikacijo energetskih virov po izčrpnosti lahko razvrstimo tudi primarno energijo. Na sl. Slika 1 prikazuje klasifikacijsko shemo za primarno energijo.
Energija plimovanja
Geotermalna energija
Energija morski valovi
Biološko gorivo
Vetrna energija
Sončna energija
Netradicionalne vrste energije
Plinasta goriva
Tekoča goriva
Trdna goriva
Atomska energija
Rečna hidroenergija
Organsko gorivo
Tradicionalne vrste energije
Primarna energija
riž. 1. Razvrstitev primarne energije
Imenuje se energija, ki jo oseba prejme po pretvorbi primarne energije v posebnih napravah - postajah sekundarni(električna energija, energija pare, topla voda itd.).
Nekaj več kot polovico vse porabljene energije porabimo v obliki toplote za tehnične potrebe, ogrevanje, kuhanje, preostali del pa v obliki mehanske energije, predvsem v transportnih napravah, in električne energije.
Električno energijo lahko upravičeno štejemo za osnovo sodobne civilizacije. To je posledica njegovih prednosti in enostavne uporabe. Velika večina tehnična sredstva mehanizacija in avtomatizacija proizvodnih procesov (opreme, instrumenti, računalniki), nadomeščanje človeškega dela s strojnim delom v vsakdanjem življenju imajo elektro osnovo.
Električna energija– najbolj univerzalna vrsta energije. Našel je široko uporabo v vsakdanjem življenju in v vseh sektorjih nacionalnega gospodarstva. Obstaja več kot štiristo vrst električnih gospodinjskih aparatov: hladilniki, pralni stroji, klimatske naprave, ventilatorji, televizorji, magnetofoni, svetilne naprave itd. Industrije si brez električne energije ni mogoče predstavljati. V kmetijstvu se uporaba električne energije nenehno širi: hranjenje in napajanje živali, nega živali, ogrevanje in prezračevanje, inkubatorji, grelniki zraka, sušilnice itd. Elektrifikacija- osnova tehnični napredek katerem koli sektorju nacionalnega gospodarstva. Omogoča vam zamenjavo neprijetnih virov energije z univerzalno vrsto energije - električno energijo, ki jo je mogoče prenašati na poljubno razdaljo, pretvoriti v druge vrste energije, na primer mehansko ali toplotno, in razdeliti med potrošnike.
Prednosti električne energije:
1. Električna energija je univerzalna, uporabljamo jo lahko za različne namene. Zlasti ga je zelo enostavno spremeniti v toploto in svetlobo. To se naredi na primer v električni viri svetlobi (žarnice z žarilno nitko), v tehnoloških pečeh, ki se uporabljajo v metalurgiji, v raznih kurilnih in ogrevalnih napravah. Pretvorba električne energije v mehansko se uporablja v elektromotornih pogonih.
2. Ko se električna energija porabi, se lahko zdrobi v nedogled. Tako se moč električnih strojev razlikuje glede na njihov namen: od delcev vata v mikromotorjih, ki se uporabljajo v številnih vejah tehnike in v gospodinjskih izdelkih, do ogromnih vrednosti, ki presegajo milijon kilovatov v generatorjih elektrarn.
3. V procesu proizvodnje in prenosa električne energije je možno koncentrirati njeno moč, povečati napetost in po žicah prenašati na kratke in dolge razdalje poljubno količino električne energije iz elektrarne, kjer nastaja, do vseh njenih porabnikov.
Razvoj naravoslovja skozi celotno življenje človeštva je neizpodbitno dokazal, da energija nikoli ne nastane iz nič in se ne uniči brez sledu, le prehaja iz ene oblike v drugo, tj.
vsota vseh vrst energije ostaja konstantna. To je bistvo enega najbolj temeljnih zakonov vesolja - zakon o ohranjanju energije.
Pri vsaki razpravi o vprašanjih, povezanih z uporabo energije, je treba razlikovati med energijo urejenega gibanja, ki jo v tehniki poznamo kot prosta energija (mehanske, kemične, električne, elektromagnetne, jedrske) in energija kaotičnega gibanja, tj. toploto Vsako obliko proste energije je mogoče skoraj v celoti izkoristiti. Istočasno se kaotična energija toplote, ko se pretvori v mehansko energijo, izgubi v obliki toplote. Ne moremo popolnoma urediti naključnega gibanja molekul in njihovo energijo pretvarjati v prosto energijo. Poleg tega trenutno praktično ni načina za neposredno pretvorbo kemične in jedrske energije v električno in mehansko energijo, ki sta najbolj uporabljeni. Notranjo energijo snovi je treba pretvoriti v toplotno, nato pa v mehansko ali električno z velikimi neizogibnimi toplotnimi izgubami.Tako vse vrste energije po njihovi izvedbi koristno delo se pri nižji temperaturi pretvorijo v toploto, ki je praktično neprimerna za nadaljnjo uporabo.
Zakon o ohranitvi energije je bil potrjen l različna področja– od Newtonove mehanike do jedrske fizike. Poleg tega zakon o ohranitvi energije ni le plod domišljije ali posploševanje eksperimentov. Zato se lahko popolnoma strinjamo z izjavo enega največjih teoretičnih fizikov Poincaréja: »Ker ne moremo podati splošne definicije energije, načelo njenega ohranjanja pomeni, da obstaja nekaj, kar ostaja konstantno. Zato ne glede na to, do kakšnih novih idej o svetu bodoči eksperimenti nas vodijo, vemo vnaprej: vsebovali bodo nekaj, kar ostaja konstantno, kar lahko imenujemo ENERGIJA.«
Izobraževalna disciplina "Osnove varčevanja z energijo" je zasnovana tako, da bodočega strokovnjaka opremi z znanjem splošni zakoni in pristopi k izračunu procesov, ki nastanejo pri sprejemanju, transformaciji in prenosu energije.
3. Problemi rabe človeške energije
Od vseh vrst energetskih virov ima sončna energija poseben pomen. Vse vrste energetskih virov so rezultat naravnih transformacij sončne energije. Premog, nafta, zemeljski plin, šota, naftni skrilavec in drva so zaloge sončne sevalne energije, ki jo pridobivajo in transformirajo rastline. Med reakcijo fotosinteze iz anorganskih elementov okolja - vode H 2 O in ogljikovega dioksida CO 2 - pod vplivom sončna svetloba Rastline proizvajajo organske snovi, katerih glavni element je ogljik. Z. Do določenega geološka epoha milijonih let iz odmrlih rastlin pod vplivom pritiska in temperaturni režim, ki pa so rezultat določene količine sončne energije, ki pade na Zemljo, in nastali so organski viri energije, katerih osnova je ogljik, predhodno akumuliran v rastlinah. Energijo vode pridobivamo tudi iz sončne energije, ki izhlapeva vodo in dviguje paro v visoke plasti atmosfere. Veter nastane zaradi različnih temperatur ogrevanja Sonca na različnih točkah našega planeta. Poleg tega ima direktno sončno sevanje, ki pada na zemeljsko površje, ogromen energijski potencial.
Tako je nastajanje organskega goriva po eni strani rezultat naravnih transformacij sončne energije, po drugi strani pa posledica dolgotrajnih toplotnih, mehanskih in bioloških učinkov na ostanke flore in favne, odložene v vse geološke formacije. Vsa ta goriva so na osnovi ogljika, energija pa se iz njih sprošča predvsem s tvorbo ogljikovega dioksida (CO2).
Človeštvo je ves čas svojega obstoja uporabljalo energijo, ki jo je narava kopičila milijarde let. Hkrati so se metode njegove uporabe nenehno izboljševale, da bi dosegli največjo učinkovitost.
Tako je človek na samem začetku svojega evolucijskega razvoja lahko le energijo mišic svojega telesa
. Kasneje se je človek naučil sprejemati in uporabljati ognjena energija
. Naslednji krog evolucijskega razvoja človeška družba prinesel možnost uporabe vodna in vetrna energija
- pojavili so se prvi vodni in vetrni mlini, vodna kolesa, jadrnice, ki so za premikanje uporabljale moč vetra. V 18. stoletju izumili parni stroj, v katerem termalna energija
, pridobljeno s kurjenjem premoga ali lesa, pretvorili v energijo mehanskega gibanja. V 19. stoletju so odkrili voltaični lok in električno razsvetljavo, izumili elektromotor, nato pa še električni generator – kar je bil začetek stoletja. elektrika
. 20. stoletje je za človeštvo pomenilo pravo revolucijo v razvoju načinov pridobivanja in rabe energije: gradili so termo, hidravlične in jedrske elektrarne ogromnih moči, gradili so visoko-, ultra- in ultravisokonapetostne daljnovode električne energije, razvijale so se nove metode proizvodnje, pretvorbe in prenosa električne energije ( nadzorovana termonuklearna reakcija, magnetohidrodinamični generator, superprevodni turbogeneratorji itd.), nastanejo močni energetski sistemi. Hkrati so se pojavili močni sistemi za oskrbo z nafto in plinom.
Tako ima svet okoli nas resnično neizčrpen vir različne vrste energije. Nekateri med njimi še danes niso v celoti izkoriščeni – energija sonca, energija interakcije med Zemljo in Luno, energija termonuklearne fuzije, toplotna energija Zemlje
.
Energija ima zdaj odločilno vlogo v razvoju človeške civilizacije. Med porabo energije in obsegom proizvodnje obstaja tesna povezava. Energija ima velik pomen v življenju človeštva. Stopnja njegove razvitosti odraža stopnjo razvoja produktivnih sil družbe, možnosti znanstvenega in tehnološkega napredka ter življenjski standard prebivalstva. Na žalost se večina energije, ki jo porabi človek, spremeni v odpadno toploto zaradi nizke učinkovitosti izrabe razpoložljivih virov energije.
Približna porazdelitev letno porabljene energije v svetu je podana v tabeli. 1.1. Količina energije je podana v količini premoga v megatonov(Mt), ki bi ob zgorevanju dala enako energijo.
Približno 400 Mt se letno porabi za prehrano ljudi, od tega se približno 40 Mt pretvori v koristno delo. Približno 800 Mt se porabi za domače potrebe, 1000 Mt pa za javno proizvodnjo.
Tabela 1.1
Letna poraba energije v svetu
|
Energijska oblika
|
Količina, Mt |
Vir |
|
Človeška prehrana in krma za živino |
650 |
sončna svetloba (prisoten) |
|
Drva za kurjavo |
150 |
sončna svetloba (v preteklosti) |
|
Hidroelektrarne |
100 |
Gibanje vode |
|
Premog, nafta, plin, šota |
6 600 |
sončna svetloba (v preteklosti) |
Tako se od letne porabe 7500 Mt koristno porabi 2200 Mt, ostalo se izgubi v obliki toplote. Toda človeštvo se ne more pohvaliti niti z izkoristkom 2200/7500 Mt, saj ni upoštevano sončno sevanje, ki pade na Zemljo in znaša 10.000.000 Mt na leto.
riž. 2 Distribucija sončne energije.
Neenakomernost rabe energije pri prebivalstvu je prikazana na sliki 3.
riž. 3. Neenakomerna poraba energije pri prebivalstvu.
Energija je imela odločilno vlogo pri razvoju civilizacije. Poraba energije in kopičenje informacij ima približno enak vzorec spreminjanja skozi čas, obstaja tesna povezava med porabo energije in obsegom proizvodnje. Ugotovljeno je bilo, da zadovoljiti fiziološke potrebe Sodobni človek potrebuje približno enako količino energije kot pračlovek. Hkrati je osupljivo visoka rast porabe energije. Toda zahvaljujoč njemu lahko človek pomemben del svojega življenja posveti prostemu času, izobraževanju, ustvarjalni dejavnosti in je dosegel trenutno visoko pričakovano življenjsko dobo.
Energijo razumemo kot nekaj nujnega, kar lahko deluje namesto nas.
Oskrba družbe z energijo je potrebna za: ogrevanje prostorov, zagotavljanje gibanja, proizvodnjo dobrin, ki jih potrebujemo, vzdrževanje delovanja različnih strojev, mehanizmov, instrumentov, kuhanje, razsvetljavo, ohranjanje življenja itd.
Te primere energetskih aplikacij lahko razdelimo v tri velike skupine:
A)napajanje . Je dražja od drugih vrst energije: pšenica je na Joule veliko dražja od premoga. Prehrana zagotavlja toploto za vzdrževanje telesne temperature, energijo za njeno gibanje, za duševno in fizično delo;
b) energije v obliki toplote za ogrevanje stanovanj in kuhanje. Omogoča bivanje v različnih podnebnih razmerah in popestritev človekove prehrane;
V) energije za zagotavljanje delovanja družbene proizvodnje. To je energija za proizvodnjo blaga in storitev, fizično gibanje ljudi in blaga v prostoru, za vzdrževanje funkcionalnosti vseh komunikacijskih sistemov. Stroški te energije na prebivalca so bistveno višji od stroškov energije za hrano.
Na žalost je dinamika razvoja civilizacije takšna, da človeštvo vsako leto potrebuje vedno več energije za svoj obstoj in razvoj. Kljub prisotnosti velike količine energetskih virov in uporabi različnih vrst energije s strani človeštva stopnja porabe energetskih virov bistveno presega sposobnost narave, da jih obnovi. Tu gre predvsem za neobnovljive naravne vire. Človeške potrebe naraščajo, ljudi je vedno več, kar povzroča velikanske količine proizvodnje energije in stopnje rasti njene porabe. Tradicionalni viri energije (različna goriva, vodni viri) in tehnologije za njihovo uporabo danes ne morejo več zagotavljati potrebne ravni energetske oskrbe družbe, saj gre za neobnovljive vire. In čeprav so dokazane zaloge naravnih goriv zelo velike, problem izčrpavanja naravnih rezerv ob trenutnem in predvidenem tempu njihovega razvoja postaja realna in bližnja prihodnost. Že danes se številna polja zaradi izčrpanosti izkažejo za neprimerna za industrijski razvoj, za nafto in plin pa je treba na primer iti na težko dostopna, oddaljena ozemlja, na oceanske police itd. Resni napovedovalci dokazujejo, da če sedanji obseg in stopnje rasti porabe energije ostanejo na 3 do 5% (in bodo nedvomno še višje), bodo zaloge organskih goriv v 70 - 150 letih popolnoma izsušene.
Drug dejavnik, ki omejuje znatno povečanje proizvodnje energije z zgorevanjem goriva, je vse Vse večje onesnaževanje okolja z odpadki pri proizvodnji energije. Ti odpadki so precejšnji po masi in vsebujejo veliko število različne škodljive sestavine. Tako se pri proizvodnji 106 kWh električne energije v sodobni elektrarni na trdno gorivo v okolje izpusti 14.000 kg žlindre, 80.000 kg pepela, 1.000.000 kg ogljikovega dioksida, 14.000 kg žveplovega dioksida, 4.000 kg dušikovih oksidov. 100.000 kg vodne pare, kot tudi spojine fluora, arzena, vanadija in drugih elementov. Toda količina proizvedene električne energije na leto znaša stotine in tisoče milijard kilovatnih ur! Od tod prihaja kisli dež, zastrupljanje kmetijskih površin in vodnih teles in podobni pojavi. Poleg tega narava teh onesnaževalcev ne zmore več predelati z naravnimi fizikalno-kemijskimi in mikrobiološkimi metodami ter se sama obnoviti.
Jedrska energija predstavlja okoljske težave drugačne vrste. Povezani so s potrebo po preprečevanju izpustov jedrskega goriva v okolje in zanesljivi odlaganje jedrskih odpadkov, ki je na trenutni stopnji razvoja tehnologije in tehnologije povezana z velikimi težavami.
Nič manj škodljiva ni toplotno onesnaževanje okolja okolje, ki lahko privede do globalnega segrevanja podnebja na Zemlji, taljenja ledenikov in dvigovanja morske gladine. Glede na navedeno postaja vedno bolj aktualna široka praktična uporaba tako imenovanih netradicionalnih in obnovljivih virov energije, ki so poleg tega tudi okolju prijazni in ne onesnažujejo okolja. Takšni viri so sončna energija, energija vetra, energija morskih valov in plimovanja, energija biomase, geotermalna energija itd. Narava vsakega od teh virov energije je drugačna, prav tako so različni načini njihove uporabe in uporabe. Hkrati pa imajo tudi skupne lastnosti, predvsem nizko gostoto pretoka proizvedene energije, kar zahteva njeno akumulacijo in rezervo.
4. Energetska varnost in varčevanje z energijo
Po napovedih znanstvenikov bodo v doglednem času glavni vir energije ostala ogljikovodikova goriva in jedrsko gorivo. Toda človeštvo se že približuje meji povečanja skupne moči tradicionalnih elektrarn, premagovanje katere bo neizogibno povzročilo ekološka katastrofa. Zato je sodobna »netradicionalna« energija rezerva, ki daje upanje in priložnost za premagovanje številnih na videz nerešljivih problemov in zadovoljitev naraščajočih potreb ljudi v prihodnosti. Ko se tehnologija in obseg izboljšujeta praktično uporabo Nekatere »netradicionalne« elektrarne bodo prešle v kategorijo tradicionalne »velike« energije, drugi del bo našel svojo nišo v »malem« energetskem sektorju za oskrbo z energijo lokalnih objektov. Tako ali drugače – za netradicionalnih virov energija ima veliko prihodnost in storiti moramo vse, da zagotovimo, da ta prihodnost hitro postane sedanjost. Od tega so odvisna vprašanja življenja in smrti na našem planetu, kar določa nujno potrebo po racionalni porabi energije, zmanjšanju stroškov na enoto na vseh področjih človeške dejavnosti. Ta smer se imenuje varčevanje z energijo.
Eden od rezultatov varčevanja z energijo je neposredno nekajkratno znižanje stroškov pospeševanja tempa nenehnega iskanja virov energije in njihovega razvoja. Želja po reševanju teh in drugih problemov je bila opažena skoraj od samega začetka velike energetike. Izvaja se tako pri iskanju drugih primarnih virov energije (elektrokemičnih in termonuklearnih pretvornikov), kot pri razvoju novih metod za pretvorbo energije primarnih virov v električno energijo, na primer v termoelektričnih ali termoelektričnih napravah, v MHD generatorjih.
Varčevanje z energijo- organizacijske, znanstvene, praktične, informacijske dejavnosti vladne agencije, pravni in posamezniki. Ta dejavnost je namenjena zmanjšanju porabe (izgub) goriv in energetskih virov v procesu njihovega pridobivanja, predelave, prevoza, skladiščenja, proizvodnje, uporabe in odlaganja. Varčevanje z energijo je sklop ukrepov za zagotavljanje učinkovite in racionalne rabe energetskih virov.
Trenutno so naslednja področja dejavnosti varčevanja z energijo priznana kot najučinkovitejša:
1. Ustvarjanje regulativnih in pravni okvir varčevanje z energijo.
2. Vzpostavitev potrebnih gospodarskih mehanizmov.
3. Oblikovanje finančnih mehanizmov za varčevanje z energijo.
4. Izvajanje cenovne politike, ki odraža stroške energentov, proizvedenih izdelkov, storitev in določa življenjski standard prebivalstva.
5. Vzpostavitev sistema upravljanja varčevanja z energijo.
6. Vzpostavitev informacijskega sistema za promocijo problemov varčevanja z energijo, usposabljanja, prekvalifikacije osebja in menedžerjev, ki delajo na tem področju.
Osnova varčevanja z energijo je racionalna raba energetskih virov in zmanjševanje njihovih izgub. Politike varčevanja z energijo se pogosto uporabljajo v vseh razvitih državah.
Na podlagi definicije pojma varčevanje z energijo kot niz ukrepov, namenjenih učinkovita uporaba energija, obstaja zahteva po omejitvi možnosti uporabe materialnih virov zunanje okolje, Če govorimo o o tako imenovanih neobnovljivih primarnih virih energije v obliki organskih mineralnih goriv. Povsem razumljivo je, da si mnoge države želijo sodobne razmerečim večji izrabi, vendar na novih principih, obnovljivih virov energije - veter, sonce, biomasa itd. Njihova uporaba vam bo omogočila danes reši maso okoljevarstveni problemi, ki ustvarja predpogoje za ohranitev dela zalog fosilnih goriv za potomce(če hkrati ne bodo izvoženi v tujino), tudi za neenergetske potrebe: proizvodnja kemičnih izdelkov, zdravil, vseh vrst zdravil.
V okviru energetske varnosti razumemo kot stanje stanja, ko vsem porabnikom, ki jih potrebujejo, ne primanjkuje vseh vrst energije. V širšem pogledu -
to je stanje gorivnega in energetskega kompleksa, ki zagotavlja zadostno in zanesljivo oskrbo države z energijo, potrebno za trajnostni razvoj gospodarnost in udobne življenjske razmere za prebivalstvo v normalnih razmerah ter zmanjšanje škode v izrednih razmerah.
- To je stanje družbe za ohranjanje zahtevane ravni nacionalne varnosti
Razpoložljivost energetskih virov ali rezerv energetskih surovin
Rezerve električne in toplotne moči(vsaj 15 % v primerjavi s konično obremenitvijo)
Zanesljivost električne opreme
Obvladljivost energetskega sistema od države do države
Če energetika države temelji na uvozu energentov – javna naročila ne bi smela potekati v eni državi. Delež posameznega vira oskrbe z energijo ne sme presegati 50 %.
Politika varčevanja z energijo države- pravno, organizacijsko in finančno-ekonomsko ureditev dejavnosti na področju varčevanja z energijo. Primer zavedanja pomena reševanja problema varčevanja z energijo je Zakon Republike Belorusije "O varčevanju z energijo", sprejet leta 1998. Ta zakon ureja razmerja, ki nastanejo pri opravljanju dejavnosti pravnih in fizičnih oseb na področju varčevanja z energijo za povečanje učinkovitosti rabe goriv in energetskih virov ter določa pravna podlaga ta razmerja. . Za izvajanje varčevanja z energijo na državni ravni se nenehno razvijajo programi za varčevanje z energijo.
Republikanska - 5 let, od leta 2001.
Regionalno – za 1 leto
Industrijski znanstveni in tehnični - obstajajo dolgoročni (za 5 let) in kratkoročni (za 1 leto)
Republiko Belorusijo čaka naloga varčevanje z energijo in zmanjšanje energetske intenzivnosti bruto domačega proizvoda.
Za rešitev te težave potrebujete:
- vzpostavitev sistema za usposabljanje strokovnjakov na področju varčevanja z energijo, tehnologij varčevanja z energijo in upravljanja z energijo;
- zagotoviti prestrukturiranje mišljenja družbe kot celote, korenito spremeniti njen odnos do problematike varčevanja z energijo in viri.
Predavanje 2
Energetski viri sveta
Zajete težave:
1. Osnovne definicije
2. Vrste energetskih virov in njihova razvrstitev.
3. Struktura in stanje svetovnega energetskega gospodarstva
2.1. Energetski viri in njihova klasifikacija
Po zakonu Republika Belorusija "O varčevanju z energijo", ki je bil sprejet 29. junija 1998, so vir energije energenti:
Energetski viri– to so materialni predmeti, v katerih je koncentrirana energija, primerna za praktično uporabo človeka. Energetski vir je vsak vir energije, naraven ali umetno aktiviran. Energetski viri– nosilci energije, ki se trenutno uporabljajo ali se lahko koristno uporabljajo v prihodnosti.
viri goriva in energije(FER) – skupek vseh naravnih in pretvorjenih vrst goriv in energije, ki se uporabljajo v republiki Energetski viri so razvrščeni po naslednji diagram(slika 1).
Primarni naravni viri energije- naravno nastale kot posledica geološkega razvoja Zemlje ali se kažejo v kozmičnih komunikacijah (sevanje Sonca), se delijo na neobnovljiv (premog, nafta, zemeljski plin, skrilavec, šota) in obnovljiva (rečna energija, sončno sevanje, energija plimovanja, biogoriva).
Proti obnovljivemu vključujejo vire, ki jih je obnovila narava (zemlja, rastline, živali itd.), na neobnovljive- viri, ki so bili predhodno nabrani v naravi, vendar praktično niso nastali v novih geoloških razmerah (zaloge nafte, premoga in drugih podzemnih rezerv) .
Sekundarni energetski viri(VER)– energija, pridobljena v katerem koli tehnološkem procesu kot posledica premajhne izkoriščenosti primarne energije v obliki stranskega proizvoda glavne proizvodnje in se ne porabi v tem energetskem procesu. TO te vrste viri vključujejo: gospodinjske in industrijske odpadke, vroče odpadne hladilne tekočine, odpadne gorljive organske snovi, kmetijske odpadke. R in s.1. Struktura energetskih virov.
Ena od klasifikacij naravnih virov je klasifikacija po izčrpnosti, po kateri se energetski viri delijo na izčrpeninneizčrpen (slika 3). Izčrpne snovi pa lahko razdelimo na obnovljivainneobnovljiv.
TO neizčrpen vključujejo prostor, podnebje in vodne vire.
Slika 2. Izčrpni in neizčrpni viri energije.
Vsi neizčrpni viri energije se štejejo za obnovljive.
Pravzaprav v vesolju ni neizčrpnih virov energije. Prej ali slej se bodo posušile. Tako bo na primer čez 4,5 milijarde let naša zvezda Sonce vstopila v naslednjo stopnjo evolucije in se spremenila v belo pritlikavko. Ta prehod se imenuje eksplozija supernove. Hkrati se bo v vesolje oddajal ogromen tok energije, ki bo dosegla naš planet, uničila (požgala) Zemljino atmosfero, oceani bodo izhlapeli in Zemlja se bo spremenila v vesoljsko telo brez življenja.
Vendar se v primerjavi s človeškim življenjem in časom obstoja človeške civilizacije takšni viri štejejo za neizčrpne. Obnovljivi viri energije so torej tisti viri, katerih energetski tokovi stalno obstajajo ali se občasno pojavljajo v okolju in niso rezultat namenskega človekovega delovanja.
Obnovljivi viri energije vključujejo energija:
Svetovni oceani v obliki energije oseke in oseke, energije valov;
- veter;
Morski tokovi;
Slan;
morske alge;
Proizvedeno iz biomase;
Žlebovi;
Trdni komunalni odpadki;
Geotermalni viri.
Pomanjkljivost obnovljivih virov energije je nizka stopnja njegove koncentracije. Toda to je v veliki meri kompenzirano z njihovo široko razširjenostjo, relativno visoko okoljsko čistostjo in praktično neizčrpnostjo. Najbolj racionalno je, da se takšni viri uporabljajo neposredno v bližini porabnika brez prenosa energije na daljavo. Energija, ki deluje na te vire, uporablja energijske tokove, ki že obstajajo v okoliškem prostoru, jih prerazporeja, vendar ne poruši njihovega splošnega ravnovesja.
Približno 90 % trenutno uporabljenih energetskih virov je neobnovljiv(premog, nafta, plin itd.). To je posledica njihovega visokega energetskega potenciala in relativne razpoložljivosti njihovega pridobivanja. Hitrost pridobivanja in porabe teh virov določa energetsko politiko. Najpogosteje uporabljeni energetski viri se danes imenujejo tradicionalno, nove vrste energetskih virov, katerih uporaba se je začela relativno nedavno - alternativa ( energetski viri rek, zbiralnikov in industrijske odpadne vode, veter, sonce, obnovljiv zemeljski plin, biomasa (vključno z lesnimi odpadki), odpadne vode in trdni komunalni odpadki) .
V sodobnem ravnanju z okoljem energetske vire delimo na tri skupine
– sodelujejo pri stalnem kroženju in pretoku energije(sončno, kozmična energija itd.),
- deponiranih energetskih virov(nafta, plin, šota, skrilavec itd.) in
- umetno aktiviranih virov energije(atomska in termonuklearna energija).
Z ekonomskega vidika obstajajo bruto, tehnične in ekonomske energetski viri.
Bruto vir predstavlja skupno energijo, ki jo vsebuje določena vrsta energetskega vira.
Tehnični vir – To je energija, ki jo je mogoče pridobiti iz določene vrste energenta ob trenutnem razvoju znanosti in tehnologije. Giblje se od delčka odstotka do desetih odstotkov bruto vrednosti, vendar se z izboljševanjem energetske opreme in osvajanjem novih tehnologij nenehno povečuje.
Gospodarski vir – energije, katere proizvodnja iz tovrstnega vira je glede na obstoječe razmerje cen opreme, materiala in dela ekonomsko donosna. Predstavlja določen delež tehničnega in se z razvojem energetike tudi povečuje.
Energetski viri so običajno označeni s številom let, v katerih bo določen vir zadostoval za proizvodnjo energije na sodobni ravni kakovosti. Iz poročila komisije Svetovnega energetskega sveta (1994) bo pri sedanji ravni porabe zalog premoga za 250 let, plina za 60 let, nafte za 40 let. Hkrati bo po podatkih Mednarodnega inštituta za uporabno sistemsko analizo svetovno povpraševanje po energiji naraslo z 9,2 milijarde ton nafte (konec devetdesetih let) na 14,2–24,8 milijarde ton leta 2050.
Indikator energetske učinkovitosti- znanstveno utemeljena absolutna ali specifična vrednost porabe goriva in energetskih virov (ob upoštevanju njihovih standardnih izgub) za kateri koli namen, določen z regulativnimi dokumenti.
Učinkovitost raba energetskih virov je določena s stopnjo pretvorbe njihovega energetskega potenciala v končne porabljene proizvode ali končno porabljene vrste energije in je značilna razmerje izkoriščenosti energetskih virov:
Kje η d – faktor okrevanja potencialna zaloga energetskega vira (razmerje med pridobljeno in celotno količino vira),
η p – pretvorbeni faktor(razmerje med prejeto koristno energijo in vsemi dobavljenimi energenti), η in – faktor izrabe energije(razmerje med porabljeno in dobavljeno energijo potrošniku).
Za nekatere vrste fosilnih virov energije η d je:
za nafto 30,...40 %, za plin 80 %, za premog 40 %. Pri zgorevanju goriva η p znaša 94–98 %.
Pojem energetske učinkovitosti je povezan s koncepti učinkovite in racionalne rabe energetskih virov.
Energijska bilanca je sistem kazalnikov, ki odražajo kvantitativno ujemanje med dohodkom in porabo energetskih virov, porazdelitvijo po vrstah in potrošnikih (glej sliko 3).
riž. 3. Struktura energijske bilance.
Racionalna raba virov – je sistem dejavnosti, namenjen zagotavljanju gospodarske uporaba virov in reprodukcija upoštevanje dolgoročnih interesov razvijajočega se nacionalnega gospodarstva in ohranjanje zdravja ljudi.
Učinkovita uporaba virov - raba vseh vrst energije na ekonomsko upravičene, progresivne načine ob obstoječi stopnji razvoja tehnologije (vključuje recikliranje virov, zmanjšanje porabe, varčevanje z energijo, ne preseganje ekološkega praga trajnosti ekosistema).
Uporabniki goriv in energetskih virov– poslovni subjekti, ne glede na njihovo obliko lastništva, registrirani na ozemlju Republike Belorusije kot pravne osebe ali podjetniki brez ustanovitve pravne osebe, pa tudi druge osebe, ki imajo v skladu z zakonodajo Republike Belorusije pravica do sklepanja podjemnih pogodb in državljani, ki uporabljajo vire goriva in energije.
Proizvajalci goriv in energetskih virov- poslovni subjekti, ne glede na njihovo obliko lastništva, registrirani na ozemlju Republike Belorusije kot pravne osebe, za katere je katera koli vrsta goriva in energetskih virov, ki se uporabljajo v republiki, blagovni izdelek.
Pod energijo ali energetskim sistemom, je treba razumeti niz velikih naravnih (naravnih) in umetnih (človeško ustvarjenih) sistemov, namenjenih pridobivanju, preoblikovanju, distribuciji in uporabi vseh vrst energetskih virov v nacionalnem gospodarstvu.
Energija se obravnava kot velik sistem, ki vključuje dele drugih velikih sistemov kot podsisteme.
Druga razlaga energetskega sistema, sprejet med inženirji energetike, je naslednji: energetski sistem je sklop med seboj povezanih elektrarn, transformatorskih postaj, daljnovodov, električnih in toplotnih omrežij, centrov za odjem električne energije in toplote.
Kot del energetskega sistema, ki zadovoljuje potrebe celotnega gospodarstva po električni in toplotni energiji, delujejo naslednji veliki sistemi:
elektroenergetski sistem (elektroenergetika), ki kot podsistem vključuje sistem za oskrbo s toploto (toplotno energijo);
sistem oskrbe z nafto in plinom;
sistem premogovništva;
Nuklearna energija;
netradicionalna energija.
Močna generacija zagotoviti elektrarne; transformacija– transformatorji, transport;
distribucija električne energije- daljnovodi; poraba– razni sprejemniki.
2.2 Vrste goriva, značilnosti in rezerve
Po definiciji D. I. Mendelejeva je "gorivo gorljiva snov, ki se namerno sežge za proizvodnjo toplote." Mineralno gorivo je glavni vir energije v sodobnih gospodarstvih in najpomembnejša industrijska surovina. Predelava mineralnih goriv je osnova za nastanek industrijskih podjetij, vključno s petrokemičnimi, plinskimi kemičnimi, šotnimi briketi itd.Gorivo je razdeljeno v štiri skupine:
trdna;
plinast;
Jedrska.
Najzgodnejše vrste trdnega goriva so bili (in so marsikje še vedno) les in druge rastline: slama, trsje, koruzna stebla itd.
Prva industrijska revolucija, ki je v 19. stoletju popolnoma spremenila kmetijske države Evrope in nato Amerike, se je zgodila kot posledica prehoda z lesnega goriva na fosilni premog. Potem je prišlo obdobje elektrike.
Odkritje elektrike je močno vplivalo na življenje človeštva in določilo nastanek in rast največjih mest na svetu.
Uporaba nafte (tekoče gorivo) in zemeljskega plina v kombinaciji z razvojem električne energije in nato z razvojem atomske energije je industrializiranim državam omogočila velike preobrazbe, rezultat katerih je bil nastanek sodobnega videza Zemlja.
Tako, da trdno gorivo vključujejo:
Les, drugi proizvodi rastlinskega izvora;
Premog (s svojimi sortami: trdi, rjavi);
šota;
- oljni skrilavec.
Trdna fosilna goriva (z izjemo skrilavca) so produkt razgradnje organskih snovi iz rastlin. Najmlajši med njimi šota, ki je gosta gmota, nastala iz strohnelih ostankov močvirskih rastlin. Naslednje "dobe" so rjavi premog- zemeljska ali črna homogena masa, ki pri daljšem shranjevanju na zraku delno oksidira (prepere) in se zdrobi v prah. Potem gredo premog, ki imajo praviloma povečano trdnost in manjšo poroznost. Organska masa najstarejšega med njimi je antracit je doživela največje spremembe in je 93% ogljik. Antracit je zelo trd.
Oljni skrilavec so mineral iz skupine trdnih kavstobiolitov, ki pri suhi destilaciji dajo precejšnjo količino smole, po sestavi podobne olju.
Tekoča goriva pridobljeno z rafinacijo nafte. Surovo olje se segreje na 300 ... 370 ° C, nato pa se nastale pare razpršijo v frakcije, ki kondenzirajo pri različnih temperaturah:
Utekočinjeni plin (dobitek približno 1%);
Bencin (približno 15%, tc = 30 ... 180 ° C);
Kerozin (približno 17%, tk = 120 ... 135 ° C);
Dizel (približno 18%, tk = 180 ... 350 ° C).
Tekoči ostanek z začetnim vreliščem 330 - 350 ° C se imenuje kurilno olje.
Plinasta goriva so zemeljski plin, pridobljeno tako neposredno kot naključno s proizvodnjo nafte, imenovano povezano. Glavna sestavina zemeljskega plina je metan CH4 in majhna količina dušika N2, višji ogljikovodiki СnНm, ogljikov dioksid CO2. Povezani plin vsebuje manj metana kot zemeljski plin, vendar več višjih ogljikovodikov, zato med zgorevanjem sprosti več toplote.
V industriji in predvsem v vsakdanjem življenju je zelo razširjena utekočinjen plin, pridobljen pri primarni rafinaciji nafte. Metalurški obrati proizvajajo kot stranske proizvode koksni in plavžni plini. Pri nas se uporabljajo v tovarnah za ogrevanje peči in tehnoloških naprav. Na območjih, kjer se nahajajo premogovniki, lahko služi nekakšno "gorivo". metan, ki se sproščajo iz plasti med njihovim prezračevanjem. Pline, ki nastanejo z uplinjanjem (generatorski plin) ali s suho destilacijo (ogrevanje brez dostopa zraka) trdnih goriv, je v večini držav že skoraj nadomestil zemeljski plin, vendar se zanimanje za njihovo proizvodnjo in uporabo trenutno ponovno oživlja.
IN Zadnje čase se vedno bolj uporablja bioplin- produkt anaerobne fermentacije (fermentacije) organskih odpadkov (gnoj, rastlinski ostanki, smeti, odpadne vode itd.).
Jedrsko gorivo je Uran. Učinkovitost njegove uporabe dokazuje delo prvega jedrskega ledolomilca na svetu "Lenin" z izpodrivom 19 tisoč ton, dolžine 134 m, širine 23,6 m, višine 16,1 m, ugreza 10,5 m, s hitrostjo 18 vozlov ( približno 30 km/h). Ustvarjen je bil za vodenje konvojev ladij po Severni morski poti, kjer je debelina ledu dosegla 2 metra ali več. Na dan je zaužil 260-310 gramov urana. Dizelski ledolomilec bi potreboval 560 ton dizelskega goriva, da bi opravil enako količino dela kot ledolomilec Lenin.
Analiza ocene oskrbe z gorivi in energenti kaže, da je najbolj redko gorivo nafta. Po različnih virih naj bi trajal 250 let. Nato bodo po 35-64 letih zaloge gorljivega plina in urana izčrpane. Najboljše je s premogom, katerega zaloge na svetu so precej velike, zaloga premoga pa bo 218-330 let.
2.2 Pogojno gorivo, kalorična vsebnost, energijski potencial.
Ekonomski izračuni, primerjava delovanja naprav za porabo goriva med seboj in načrtovanje morajo biti izvedeni na eni sami osnovi. Zato je bil uveden koncept tako imenovanega referenčnega goriva.Referenca goriva je obračunska enota za fosilna goriva, ki se uporablja za primerjavo učinkovitosti različnih vrst goriva in skupno obračunavanje. Uporaba referenčnega goriva je še posebej primerna za primerjavo učinkovitosti različnih termoelektrarn.
Kot enota standardnega goriva se uporablja 1 kg goriva s kalorično vrednostjo 7000 kcal/kg (29,3 MJ/kg), kar ustreza dobremu nizkopepelnemu suhemu premogu. Za primerjavo poudarimo, da imajo rjavi premogi kalorično vrednost manj kot 24 MJ / kg, antracitni in bitumenski premogi pa 23-27 MJ / kg. Razmerje med konvencionalnim in naravnim gorivom je izraženo s formulo
W = (Qnr / 7000) Vn = E Vn,
kjer je W masa ekvivalentne količine standardnega goriva, kg;
Vn - masa naravnega goriva, kg (trdno in tekoče gorivo) ali m3 - plinasto;
Qнр - spodnja kurilna vrednost danega naravnega goriva, kcal/kg ali kcal/m3.
Razmerje E = Qnr / 7000
klical kalorični koeficient, in je sprejet za:
Olje - 1,43;
Zemeljski plin - 1,15;
Šota - 0,34-0,41 (odvisno od vlažnosti);
Šotni briketi - 0,45 -0,6 (odvisno od vlažnosti);
Dizelsko gorivo - 1,45;
Kurilno olje - 1,37.
Kalorične vrednosti različnih goriv, kcal/kg, je približno:
olje - 10.000 (kcal/kg);
zemeljski plin - 8.000 (kcal / m3);
črni premog - 7000 (kcal / kg);
drva z vlažnostjo 10% - 3900 (kcal / kg);
40% - 2400(kcal/kg);
vsebnost vlage v šoti 10% - 4100(kcal/kg);
40% - 2500(kcal/kg);
Parameter, ki določa možnost uporabe vira energije, je Energetski potencial
. Izražena je v energijskih enotah J ali kW uro. Energetski potencial energetskih virov Zemlje, merjen v exajoules, (eJ=10 18
J), je ocenjen z naslednjimi vrednostmi:
energija jedrske fisije 1,97 10 6
geotermalna energija 2,94 10 6
sončne energije na ravni Zemlje, za 1 leto 2,41 10 6
kemična energija kemičnega goriva 5,21 10 5
termonuklearna energija 3,60 10 5
energija plimovanja, za 1 leto 2,52 10 5
vetrna energija, za 1 leto 6,12 10 3
gozdna bioenergija, za 1 leto 1,46 10 3
rečna energija, za 1 leto 1,19 10 2
Struktura svetovnega energetskega gospodarstva je danes takšna, da se 80 % porabljene električne energije pridobi s kurjenjem goriva v elektrarnah, kjer se kemična energija goriva najprej pretvori v toploto, toplota v delo in delo v električno energijo. Pomemben delež (približno 15 %) zagotavljajo tudi hidroelektrarne, ostalo pa drugi viri, predvsem jedrske elektrarne. Človeške potrebe naraščajo, ljudi je vedno več, kar povzroča velikanske količine proizvodnje energije in stopnje rasti njene porabe. Tradicionalni viri energije (različna goriva, vodni viri) in tehnologije za njihovo uporabo danes ne zmorejo več zagotavljati potrebne ravni energetske oskrbe družbe, ker so to neobnovljivi viri in njihova količina hitro upada. In čeprav so dokazane zaloge naravnih goriv zelo velike, postaja problem izčrpavanja naravnih zalog ob trenutnem in predvidenem tempu njihovega razvoja resnična in bližnja prihodnost. Že danes se številna polja zaradi izčrpanosti izkažejo za neprimerna za industrijski razvoj, za nafto in plin pa je treba na primer iti na težko dostopna, oddaljena ozemlja, na oceanske police itd. Resni napovedovalci dokazujejo, da če sedanji obseg in stopnje rasti porabe energije ostanejo na 3 do 5% (in bodo nedvomno še višje), bodo zaloge organskih goriv v 70 - 150 letih popolnoma izsušene.
Omejena ponudba neobnovljivih virov za proizvodnjo električne energije, tudi ob upoštevanju prihrankov, se odraža v tabeli 2.1. Razvoj sodobnih tehnologij zahteva dvig ravni rabe električne energije. Poleg tega je treba upoštevati, da stopnja rasti prebivalstva omogoča predvidevanje, da bo čez 40 let na Zemlji živelo 12 milijard ljudi, zato so problemi varčevanja z energijo tako pereči. Tabela 2.1. Energetski viri sveta
Elektroenergetika je najpomembnejši sektor gospodarstva katere koli države, saj njeni proizvodi (električna energija) pripadajo univerzalni vrsti energije. Z lahkoto se lahko prenaša na velike razdalje in razdeli med veliko število potrošnikov. Brez električne energije je nemogoče izvajati mnoge tehnološki procesi kako nemogoče si je predstavljati naše vsakdanje življenje brez ogrevanja, razsvetljave, hlajenja, prevoza, TV, hladilnika, pralnega stroja, sesalnika, likalnika, uporabe sodobna sredstva komunikacije (telefon, telegraf, telefaks, računalnik), ki prav tako porabljajo el.
V večini razvitih tujih držav električna komponenta celotnega gorivnega in energetskega kompleksa doseže 35–40%, do začetka 21. stoletja pa je presegla 50%. Električna energija se uvaja v skoraj vsa nova področja industrije, kmetijstva in vsakdanjega življenja.
ZDA proizvedejo približno 2,5 trilijona. kWh električne energije, v CIS - približno 1,75 bilijona. kWh Skupna zmogljivost elektrarn v ZDA je 660 milijonov kWh, v CIS - približno 350 milijonov kWh, 30% tega v ZDA je v topli rezervi. V CIS ni vroče rezerve, hladna rezerva pa je 6-8%, medtem ko je standard 13%.Stopnja električne opreme v Republiki Belorusiji je 22%, kar je bistveno nižje od kazalcev ne le razvitih držav, temveč svetovno povprečje (27 %).
Čeprav so razvite države v zadnjih 25 letih prenehale povečevati porabo energije na prebivalca, rast porabe ostaja visoka zaradi povečane porabe energije na prebivalca v državah v razvoju. Ob sedanjem tempu bo rast elektroenergetike še dolgo, tudi naše.
Energija ne nastane iz nič in nikamor ne izgine, lahko le prehaja iz ene vrste v
drugo (varčevanje z energijo). povezuje vse naravne pojave v eno celoto, je
splošne značilnosti stanja fizičnih teles in fizičnih polj.
Zaradi obstoja zakona o ohranitvi energije pojem »energija« povezuje vse naravne pojave.
V fiziki se pojem energije običajno označuje z latinsko črko E.
V sistemu SI se energija meri v joulih. Poleg teh osnovnih merskih enot se v praksi uporablja še
Obstaja veliko drugih enot, ki so primerne za specifično uporabo. V atomski in jedrski fiziki ter v fiziki elementarni delci koncept energije se meri z elektronvolti, v kemiji s kalorijami, v fiziki trdne snovi s stopinjami Kelvina, v optiki z obrnjenimi centimetri, v kvantni kemiji s samokonsistentnostjo.
Vrste energije Energetski sistemi
Glede na različne oblike gibanja snovi ločimo več vrst energije: mehansko, elektromagnetno, kemično, jedrsko, toplotno, gravitacijsko itd. Ta delitev je precej poljubna. Torej je kemijska energija sestavljena iz kinetične energije gibanja elektronov, njihove interakcije in interakcije z atomi.
Poleg tega koncept razlikuje med notranjo energijo in energijo v polju zunanjih sil. Notranja energija enaka vsoti kinetične energije gibanja molekul in potencialne energije interakcije med molekulami. Notranja energija izoliranega sistema je konstantna.
V rizomantinskih fizikalnih procesih različne vrste energije se lahko spreminjajo druga v drugo. Na primer, jedrska energija v jedrskih elektrarnah se najprej pretvori v notranjo toplotno energijo parnih rotacijskih turbin (mehanska energija), ta pa inducira električni tok v generatorjih (električna energija), ki se uporablja za razsvetljavo (energija elektromagnetnega polja). itd.
Energija sistema je edinstveno odvisna od parametrov, ki označujejo njegovo stanje. V primeru neprekinjenega medija je uveden koncept gostote.
Zgodovina razvoja pojma energija
Koncept energije je v fiziki prisoten že več stoletij. Njegovo razumevanje se je nenehno spreminjalo. Izraz energija v sodobnem fizičnem smislu je leta 1808 prvič uporabil Thomas Young. Poleg tega je bil uporabljen izraz »življenjska sila« (latinsko vis viva), ki ga je uvedel Leibniz že v 17. stoletju in jo opredelil kot produkt mase in kvadrata hitrosti.
Leta 1829 je Coriolis prvič uporabil izraz kinetična energija v sodobnem smislu, izraz potencialna energija pa je uvedel William Rankine leta 1853. Do takrat so se podatki, pridobljeni z raziskavami na različnih področjih znanosti, začeli seštevati v celotno sliko. Zahvaljujoč poskusom Joula, Mayerja, Helmholtza so bila razjasnjena vprašanja pretvorbe mehanske energije v toplotno energijo. V enem svojih prvih del, "O ohranjanju sile" (1847), je Helmholtz, ki sledi ideji o enotnosti narave, matematično utemeljil ohranjanje energije.
in trditev, da je živ organizem fizikalno-kemijsko okolje, v katerem je navedeni zakon strogo izpolnjen. Helmholtz je formuliral "načelo ohranjanja sile" in nezmožnost Perpetuum Mobile. Ta odkritja so omogočila oblikovanje prvega zakona termodinamike oziroma koncepta ohranjanja energije. Koncept energije je postal osrednji za razumevanje fizikalni procesi. Kmalu se termodinamika naravno prilega konceptu energije kemijske reakcije ter teorija električnih in elektromagnetnih pojavov.
Z izgradnjo relativnostne teorije je bilo konceptu energije dodano novo razumevanje. Če prej
potencialna energija je bila določena do poljubne konstante, nato pa uveljavljena Einsteinova teorija
povezava med energijo in maso.
Kvantna mehanika je koncept energije obogatila s kvantizacijo – za določene fizikalne sisteme energijo
lahko sprejme le diskretne vrednosti. Poleg tega je načelo negotovosti določilo meje točnosti
meritve energije in njen odnos s tem. Noetherjev izrek je pokazal, da zakon o ohranitvi energije
izhaja iz načela homogenosti časa, po katerem potekajo fizikalni procesi v enakih sistemih
enako, tudi če se začnejo pri različni trenutkičas.
Teorija relativnosti Energetski sistemi
Energija telesa je odvisna od referenčnega sistema, tj. različne za različne opazovalce. Če se telo premika z
hitrost v glede na katerega opazovalca, nato pa za drugega opazovalca, ki se premika z enako hitrostjo, it
bo videti nepremično. V skladu s tem bo za prvo kinetična energija telesa enaka
(na podlagi zakonov klasične mehanike) m v2/2′ kjer je m masa telesa, pri drugem pa nič.
Ta odvisnost energije od referenčnega okvira je ohranjena tudi v teoriji relativnosti. Za transformacije, ki se pojavijo z energijo pri premikanju iz enega inercialnega referenčnega sistema v drugega, se uporablja zapleten matematični konstrukt - tenzor energije in impulza.
Energija telesa ni več odvisna od hitrosti kot v Newtonovi fiziki, ampak drugače:
kvantna mehanika
Medtem ko se v klasični fiziki koncept energije katerega koli sistema nenehno spreminja in lahko zavzema poljubne vrednosti, kvantna teorija pravi, da lahko energija mikrodelcev, ki jih veže sila interakcije z drugimi mikrodelci v omejenih območjih prostora, pridobi le določene diskretne vrednosti.
Tako atomi oddajajo energijo v obliki diskretnih delov - svetlobnih kvantov ali fotonov.
Operator energije v kvantni mehaniki je Hamiltonian. V stacionarnih stanjih kvanta sistemska energija ima lahko samo tiste vrednosti, ki ustrezajo lastni vrednosti hamiltoniana. Za lokalizirana stanja ima lahko energija le nekatera diskretna stanja.
Energija(iz grščine energeie - delovanje, dejavnost) je splošno kvantitativno merilo gibanja in medsebojnega delovanja vseh vrst snovi. To je sposobnost opravljanja dela, delo pa je opravljeno, ko na predmet deluje fizična sila (tlak ali gravitacija). Delo je energija v akciji.
Termalna energija pogosto uporablja na sodobna proizvodnja in v vsakdanjem življenju v obliki parne energije, tople vode, produktov zgorevanja goriva.
Električna energija je zaradi številnih prednosti ena najnaprednejših vrst energije.
Električna energija je najčistejša oblika energije in jo je mogoče pridobiti iz najrazličnejših primarnih virov (npr. premog, nafta, plin, vodna energija in jedrska energija). Električna energija ima številne nedvomne prednosti pred drugimi vrstami energetskih derivatov - zmožnost pridobivanja skoraj poljubne količine energije tako iz elementa velikosti glave vžigalice kot iz turbogeneratorjev z močjo več kot 1000 MW, primerjalna preprostost njen prenos na daljavo in enostavnost pretvorbe v energijo drugih vrst. Glavna težava je njegovo shranjevanje.
Z vidika uporabe je učinkovitejši od fosilnih goriv, saj ima znane prednosti: čistoča, enostavnost upravljanja, dostopnost. Elektriko je mogoče uporabiti veliko učinkoviteje in veliko bolj ciljno kot energijo zgorelega goriva. Za električne ogrevalne sisteme je značilna visoka tehnična učinkovitost in so, čeprav so stroški energije višji od ostalih energentov, zaradi nižjih obratovalnih stroškov bolj ekonomični.
Električno in toplotno energijo proizvajajo:
- termični elektrarne na fosilna goriva (SPTE), ki uporabljajo vodno paro v turbinah – (parne turbinske enote – STU), produkte zgorevanja – (plinske turbinske enote – GTU), njihove kombinacije – (parne in plinske enote – CCGT);
- hidravlični električne elektrarne (HE), ki uporabljajo energijo padajočega vodnega toka, toka in plime;
- atomsko elektrarne (NEK), ki uporabljajo energijo jedrskega razpada.
Termoelektrarne in jedrske elektrarne. Tipični diagrami termoelektrarn in jedrskih elektrarn. Parne turbinske kondenzacijske elektrarne in soproizvodnje toplote in električne energije (SPTE).
Po vrsti proizvedene energije:
termoelektrarne , samo za proizvodnjo električne energije - kondenzacijske elektrarne (CPS);
· termoelektrarne, ki proizvajajo električno in toplotno energijo - soproizvodnja toplote in električne energije (SPTE).
Po videzu toplotni motor:
· elektrarne s parnimi turbinami - parnoturbinske termoelektrarne in jedrske elektrarne;
· elektrarne s plinskimi turbinami - plinskoturbinske termoelektrarne;
· elektrarne s kombiniranim ciklom - termoelektrarne s kombiniranim ciklom;
Termoelektrarne (TE) proizvajajo električno energijo kot rezultat pretvorbe toplotne energije, ki se sprošča pri izgorevanju fosilnih goriv (premog, nafta, plin).
V strojnici termoelektrarne je nameščen kotel z vodo.
Pri zgorevanju goriva se voda v kotlu segreje na nekaj sto stopinj in se spremeni v paro.
Para pod tlakom vrti lopatice turbine, ta pa generator.
Generator proizvaja električni tok.
Električni tok vstopi v električna omrežja in po njih potuje do tovarn, šol, domov in bolnišnic.
Prenos električne energije iz elektrarn preko daljnovodov poteka pri napetostih 110-500 kilovoltov, torej bistveno višjih od napetosti generatorjev.
Povečanje napetosti je potrebno za prenos električne energije na velike razdalje.
Potem je potrebno znižati napetost nazaj na raven, ki je primerna za potrošnika.
Pretvorba napetosti se pojavi v električnih transformatorjih z uporabo transformatorjev.
In toplota v obliki tople vode prihaja iz termoelektrarne preko toplovoda.
hladilni stolp- naprava za hlajenje vode v elektrarni z atmosferskim zrakom.
Parni kotel- zaprta naprava za pridobivanje pare v elektrarni s segrevanjem vode. Voda se segreva z zgorevanjem goriva.
Daljnovodi- daljnovod. Zasnovan za prenos električne energije. Obstajajo nadzemni daljnovodi (žice, raztegnjene nad tlemi) in podzemni (napajalni kabli).
Sl. 11 – Shematski diagrami TPP (a) in SPTE (b)
Trenutno v termoelektrarnah in termoelektrarnah skupaj s parnimi turbinskimi enotami (STU) postajajo vse bolj razširjene plinske enote s kombiniranim ciklom (CCGT), ki delujejo po kombinirani shemi.
V prvi stopnji CCGT s plinsko turbino se kot primarni vir energije in delovna tekočina uporablja zemeljski plin, sekundarna delovna tekočina pa so produkti zgorevanja. V drugi stopnji so vir energije izpušni plini turbine, delovna tekočina pa para, ki nastane v uparjalniku z njihovo pomočjo.
Jedrske elektrarne.
Takšne elektrarne delujejo po enakem principu kot termoelektrarne, le da za proizvodnjo pare uporabljajo energijo, pridobljeno pri radioaktivnem razpadu. Kot gorivo se uporablja obogatena uranova ruda.
riž. 12. Shematski prikaz jedrske elektrarne.
V primerjavi s termo in hidroelektrarnami imajo jedrske elektrarne resne prednosti: potrebujejo malo goriva, ne motijo hidrološkega režima rek in ne izpuščajo škodljivih plinov v ozračje. Glavni proces, ki poteka v jedrski elektrarni, je nadzorovana cepitev urana-235, pri kateri se sprošča velika količina toplote. Glavni del jedrske elektrarne je jedrski reaktor, katerega naloga je vzdrževati neprekinjeno reakcijo cepitve.
Jedrsko gorivo - ruda, ki vsebuje 3% urana 235; polni dolge jeklene cevi - gorivne elemente (gorivne palice). Če je veliko gorivnih palic nameščenih blizu druga drugi, se bo začela reakcija cepitve. Da je mogoče nadzorovati reakcijo, so krmilne palice vstavljene med gorivne palice; s potiskanjem navznoter in ven lahko nadzorujete hitrost razpada urana-235. Kompleks fiksnih gorivnih palic in premičnih regulatorjev je jedrski reaktor. Toplota, ki jo ustvari reaktor, se uporablja za prekuhavanje vode in proizvodnjo pare, ki poganja turbino jedrske elektrarne za proizvodnjo električne energije.
33. Pretvorba sončne energije v toplotno in električno energijo. Energija vetra in hidroenergija.
Glavna uporaba sončne energije je oskrba s toploto. Za neposredno pretvorbo sončne energije v toploto so bile razvite sončne ogrevalne naprave (SHS), ki se v praksi pogosto uporabljajo za različne namene (oskrba s toplo vodo, ogrevanje in klimatizacija v stanovanjskih, javnih, zdraviliških objektih, ogrevanje vode v kopališču). bazeni in različni postopki kmetijske proizvodnje).
Po podatkih meteorologov v Republiki Belorusiji je 150 dni na leto oblačnih, 185 dni delno oblačnih in 30 jasnih, skupno število sončnih ur v Belorusiji pa doseže 1200 ur na severu države in 1300 na jugu. .
Sončna elektrarna je struktura, sestavljena iz številnih sončnih kolektorjev, usmerjenih proti soncu. Vsak kolektor prenaša sončno energijo v hladilno tekočino, ki se, ko se spremeni v paro, zbira iz vseh kolektorjev v centralni elektrarni in dovaja v turbino generatorja.
Slika 13 - Zaporedje sprejemnikov sončnega sevanja
da bi povečali učinkovitost in stroške
Glavni element solarnega ogrevalnega sistema je sprejemnik, v katerem se sončno sevanje absorbira in energija prenaša na tekočino. Slika 13 prikazuje shematično različne možnosti sprejemniki sončne energije. Izkušnje delovanja teh naprav kažejo, da je v solarnih sistemih za oskrbo s toplo vodo mogoče nadomestiti 40-60% letne potrebe po organskem gorivu, odvisno od območja lokacije, pri segrevanju vode na 40 ... 60 ° C.
a) odprt rezervoar na površini zemlje; b) odprt rezervoar, toplotno izoliran od tal; c) črni rezervoar; d) črn rezervoar s toplotno izoliranim dnom; e) zaprti črni grelci,
f) kovinski pretočni grelniki s steklenim pokrovom;
g) kovinski pretočni grelniki z dvema steklenima pokrovoma; h) enako, s selektivno površino; i) enako z vakuumom.
Grelnik zraka je sprejemnik, ki ima porozno ali hrapavo črno absorpcijsko površino, ki segreva vstopni zrak, ki se nato dovaja potrošniku.
Sončni kolektor vključuje sprejemnik, absorbira sončno sevanje in vozlišče, ki je optični sistem, ki zbira sončno sevanje in ga usmerja v sprejemnik. Koncentrator je najpogosteje zrcalo parabolične oblike, v središču katerega je sprejemnik sevanja. Nenehno se vrti in zagotavlja orientacijo proti Soncu.
Fotoelektrični pretvorniki so naprave, katerih delovanje temelji na uporabi fotoelektričnega učinka, zaradi česar se ob osvetlitvi snovi s svetlobo sproščajo elektroni iz kovin (fotoelektrična emisija ali zunanji fotoelektrični učinek), naboji se premikajo po vmesniku polprevodniki z različnimi vrstami prevodnosti (fotoelektrični učinek vrat) in sprememba električne prevodnosti (fotoprevodnost). Metode fotovoltaične pretvorbe sončne energije v električno se uporabljajo za napajanje porabnikov v širokem razponu moči: od mini generatorjev za ure in kalkulatorje z močjo nekaj vatov do centralnih elektrarn z močjo več megavatov.
Vetrna energija je področje tehnologije, ki za proizvodnjo energije uporablja energijo vetra, imenujemo pa naprave, ki pretvarjajo energijo vetra v koristne mehanske, električne ali toplotne oblike energije. vetrne elektrarne(vetrna turbina), oz vetrne turbine, in so avtonomni
Energija vetra se že več stoletij uporablja v mehanskih napravah, kot so mlini in vodne črpalke. Po oster skok cene nafte leta 1973 se je zanimanje za tovrstne naprave močno povečalo. Večina obstoječih naprav je bila zgrajena v poznih 70-ih - zgodnjih 80-ih na sodobni tehnični ravni z obsežno uporabo najnovejših dosežkov aerodinamike, mehanike in mikroelektronike za nadzor in nadzor. Vetrne turbine z močjo od nekaj kilovatov do nekaj megavatov proizvajajo v Evropi, ZDA in drugod po svetu. Večina teh naprav se uporablja za proizvodnjo električne energije, tako v enotnem elektroenergetskem sistemu kot v avtonomnih načinih.
Eden glavnih pogojev pri načrtovanju vetrnih turbin je zagotoviti njihovo zaščito pred uničenjem zaradi zelo močnih naključnih sunkov vetra. V vsakem območju so v povprečju enkrat na 50 let vetrovi s hitrostjo 5-10 krat večjo od povprečja, zato morajo biti vetrne elektrarne zasnovane z veliko rezervo varnosti. Največja konstrukcijska moč vetrne turbine je določena za določeno standardno hitrost vetra, običajno 12 m/s.
Vetrna elektrarna je sestavljena iz vetrnega kolesa, generatorja električnega toka, konstrukcije za namestitev vetrnega kolesa na določeni višini od tal in sistema za krmiljenje parametrov proizvedene električne energije glede na spremembe moči in hitrosti vetra. vrtenja kolesa.
Vetrne turbine so razvrščene glede na dve glavni značilnosti: geometrijo vetrnega kolesa in njegov položaj glede na smer vetra. Če je os vrtenja vetrnega kolesa vzporedna s tokom zraka, se namestitev imenuje vodoravno-osna, če je pravokotna - navpično-osna.
Načelo delovanja vetrne elektrarne je naslednje. Vetrno kolo, ki prejema energijo vetra, se vrti skozi par stožčastih zobnikov in s pomočjo dolge navpične gredi prenaša svojo energijo na spodnjo vodoravno transmisijsko gred in nato preko drugega para stožčastih zobnikov in jermenskega pogona na električni generator oz. drug mehanizem.
Ker so obdobja zatišja neizogibna, morajo vetrne elektrarne imeti akumulatorje električne energije ali pa morajo biti v primeru zatišja vzporedne z elektroelektrarnami drugih vrst, da ne pride do motenj v oskrbi z električno energijo.
Energetski program Republike Belorusije do leta 2010 določa glavne smeri uporabe virov vetrne energije v bližnji prihodnosti, ki se bodo uporabljali za pogon črpalnih enot in kot vir energije za elektromotorje. Za te aplikacije so značilne minimalne zahteve glede kakovosti električne energije, kar omogoča dramatično poenostavitev in pocenitev vetrnih elektrarn. Posebej obetavna je njihova uporaba v kombinaciji z malimi hidroelektrarnami za črpanje vode. Uporaba vetrnih elektrarn za dvigovanje vode, električno ogrevanje vode in napajanje avtonomnih porabnikov naj bi se do leta 2010 povečala na 15 MW inštalirane moči, kar bo zagotovilo prihranek 9 tisoč ton goriva letno.
Hidroelektrarna.
Hidroenergija predstavlja vejo znanosti in tehnologije v njeni uporabi energija, ki premika vodo(običajno reke) za proizvodnjo električne in včasih mehanske energije. To je najbolj razvito področje obnovljivih virov energije.
Hidroelektrarna je kompleks različnih struktur in opreme, katerih uporaba omogoča pretvorbo energije vode v električno energijo. Hidravlične konstrukcije zagotavljajo potrebno koncentracijo pretoka vode, nadaljnji procesi pa se izvajajo z ustrezno opremo.
Hidroelektrarne gradijo na rekah z jezovi in akumulacijami.
V hidroelektrarni se za pridobivanje električne energije uporablja kinetična energija padajoče vode. Turbina in generator pretvarjata vodno energijo v mehansko in nato v električno. Turbine in generatorji so nameščeni v samem jezu ali v njegovi bližini.
riž. 14. Shematski prikaz hidroelektrarne.
