|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Перспективы развития и потребления энергетических ресурсов. Ограниченность ресурсов, новые ресурсыСтр 1 из 11Следующая ⇒
Энергия ветра Основная статья: Ветроэнергетика Это отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, тепловую и любую другую форму энергии для использования в народном хозяйстве. Преобразование происходит с помощью ветрогенератора (для получения электричества), ветряных мельниц (для получения механической энергии) и многих других видов агрегатов. Энергия ветра является следствием деятельности солнца, поэтому она относится к возобновляемым видам энергии.Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.Наиболее перспективными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. В море, на расстоянии 10—12 км от берега (а иногда и дальше), строятся офшорные ветряные электростанции. Башни ветрогенераторов устанавливают на фундаменты из свай, забитых на глубину до 30 метров.Ветряные генераторы практически не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет эксплуатации позволяет сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти.В перспективе планируется использование энергии ветра не посредством ветрогенераторов, а более нетрадиционным образом. В городе Масдар (ОАЭ) планируется строительство электростанции работающей на пьезоэффекте. Она будет представлять собой лес из полимерных стволов покрытых пьезоэлектрическими пластинами. Эти 55-метровые стволы будут изгибаться под действием ветра и генерировать ток. Гидроэнергия На этих электростанциях, в качестве источника энергии используется потенциальная энергия водного потока, первоисточником которой является Солнце, испаряющее воду, которая затем выпадает на возвышенностях в виде осадков и стекает вниз, формируя реки. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Также возможно использование кинетической энергии водного потока на так называемых свободно поточных (бесплотинных) ГЭС. Особенности: Себестоимость электроэнергии на ГЭС существенно ниже, чем на всех иных видах электростанций
Типы ГЭС:
На 2010 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 76 % возобновимой и до 16 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 1015 ГВт. Лидерами по выработке гидроэнергии на гражданина являются Норвегия, Исландия и Канада. Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира. Энергия приливов и отливов Электростанциями этого типа являются особого вида гидроэлектростанции, использующие энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды.Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроакумулирующая электростанция.Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в единой энергосистеме с другими типами электростанций. Энергия волн Волновые электростанции используют потенциальную энергию волн переносимую на поверхности океана. Мощность волнения оценивается в кВт/м. По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает большей удельной мощностью. Несмотря на схожую природу с энергией приливов, отливов и океанских течений волновая энергия представляет собой отличный от них источник возобновляемой энергии. Энергия солнечного света Данный вид энергетики основывается на преобразовании электромагнитного солнечного излучения в электрическую или тепловую энергию.Солнечные электростанции используют энергию Солнца как напрямую (фотоэлектрические СЭС работающие на явлении внутреннего фотоэффекта), так и косвенно — используя кинетическую энергию пара. К СЭС косвенного действия относятся:
Крупнейшая электростанция подобного типа находится в Израиле, её мощность 5 Мвт, площадь пруда 250 000 м2, глубина 3 м. Геотермальная энергия Электростанции данного типа представляют собой теплоэлектростанции использующие в качестве теплоносителя воду из горячих геотермальных источников. В связи с отсутствием необходимости нагрева воды ГеоТЭС являются в значительной степени более экологически чистыми нежели ТЭС. Строятся ГеоТЭС в вулканических районах, где на относительно небольших глубинах вода перегревается выше температуры кипения и просачивается к поверхности, иногда проявляясь в виде гейзеров. Доступ к подземным источникам осуществляется бурением скважин. 4 Невозобновляемые источники энергии Энергоисточники, образование которых в недрах Земли потребовало миллионы лет, а по истечении 100-200 лет в результате долговременного широкого использования запасы их будут окончательно исчерпаны, называются невозобновляемыми. К ним относятся: уголь, нефть и природный газ. Использование их приводит к загрязнению окружающей среды, однако, до сих пор именно им принадлежит значительная доля в мировом объеме производства энергии. Даже высокоразвитые страны получают около 80% энергии из газа, нефти, угля. Уголь. Каменный и древесный уголь стали первым в истории человечества невозобновляемым источником энергии. И тот, и другой образуется в процессе переработки органического вещества. Каменный уголь образовался из торфяных отложений, миллионы лет пролежавших в недрах земли под давлением мощных пластов осадочных пород. Добыча угля приносит вред не только природе, но и людям, работающим в этой отрасли промышленности, среди которых широко распространены профессиональные заболевания дыхательных путей и зрительного аппарата. Угольные карьеры портят лицо Земли, их рекультивация требует гигантских капиталовложений, а чаще всего практически невозможна, настолько они огромны по своим размерам. При сжигании угля в атмосферу выбрасываются тонны токсичных газов, таких. как угарный, сернистый и углекислый плюс тонны сажи и черной пыли. Центральная роль в развитии угледобывающей промышленности принадлежит Англии, где в средние века началась промышленная революция, ознаменовавшая переход человечества к качественно новой цивилизации. В 1712 году Томас Ньюкомен изобрел первый паровой двигатель, трансформировавший тепловую энергию в механическую работу. Теплоемкость угля была гораздо выше, использовавшихся до этого дров, и он оказался вне конкуренции на рынке энергоносителей того времени. Конечно, увеличилось загрязнение окружающей среды, на зато прекратилось еще худшее бедствие - безжалостное уничтожение лесных массивов во имя развития промышленной цивилизации. Уже в XVIII-XIX в.в. атмосферное загрязнение стало основной проблемой городов. Смог - это бич Англии и её визитная карточка. Вплоть до 1965 года каменный уголь во многих странах мира был на первом месте как основной энергоисточник, в 1985 он составлял уже 31% всего мирового производства. В некоторых странах третьего мира использование угля стремительно растет до сих пор, в частности, в Китае, где его потребление в 80-ые годы увеличилось на 50%. Нефть Современная нефтяная промышленность зародилась в 1859 году в Пенсильвании, и с тех пор она уверено лидирует на мировом рынке энергоносителей. Нефть также, как и уголь, является продуктом распада органических остатков животного и растительного мира и их трансформации под давлением земных пластов. Её легко транспортировать с помощью нефтепроводов или танкеров. Она широко используется не только как энергоисточник, но и как сырье для химической промышленности. Трудно сказать, сколько еще будут существовать нефтяные резервы. Возможно, при нынешних темпах эксплуатации они истощатся уже через 50-100 лет. Но, чтобы ни случилось, мы должны уже сейчас искать альтернативные энергоносители, так как использование нефти и нефтепродуктов приносит не меньший ущерб природе, чем использование угля. Все стадии нефтяных операций - бурение, сооружение нефтяных платформ, производство и транспортировка, более или менее опасны для окружающей среды. Даже разливы небольших количеств нефти в прибрежной зоне причиняют долговременный и значительный вред экосистемам побережий. Особенно уязвимы морские птицы, рыбная икра и мелкая рыбешка, живущая вблизи водной поверхности. На долю Западной Европы, Северной Америки и Японии приходится 2/3 мирового потребления нефти. В других странах мира, несмотря на экономический спад в 80-ые годы, потребление нефти за этот период возросло на 7%. Природный газ В мировом производстве природный газ уже заменяет ежедневное потребление 28 млн. баррелей нефти. В странах мира, за исключением США, использование природного газа возросло в 80-ые годы на 80%; однако, лидером оказался бывший Советский Союз, на долю которого приходились 43% мирового запаса этого ценного вида топлива. В настоящее время запасы природного газа в мире приблизительно равны запасам нефти, однако они истощаются в два раза медленнее. Специалисты из Международного банка реконструкции и развития считают, что в перспективе для большинства стран третьего мира природный газ станет более важным энергоносителем, чем нефть. Расширение масштабов поиска новых месторождений газа, разработка новых технологий его добычи и более эффективное использование придадут вскоре этому источнику энергии ведущее значение в мировой энергетической системе. 5) Внутренняя энергия, работа расширения. I закон термодинамики Первый закон термодинамики гласит, (4 разные формулировки) что:
E1 = E2 где E1 = начальная энергия E2 = конечная энергия Внутрення энергия включает:
o Гравитационную энергию системы Первый закон является основой для термодинамической науки и инженерного анализа. Базируется на возможных типах обмена (энергии), ниже приведены 3 типа систем:
Первый закон термодинамики помогает использовать ключевые концепции внутренней энергии (internal energy), тепла (heat), и работы системы (system work). которые широко используются в описании тепловых систем (heat engines).
Изменение внутренней энергии системы равно теплу (добавленному системе) минус работа, совершенная системой dE = Q - W где dE = изменение внутренней энергии Q = добавленное тепло W =работа системы 1й закон не дает информации о характере процесса и не определяет конечного состояния равновесия. Интуитивно мы понимаем, что энергия переходит от объекта с более высокой температурой к объекту с менее высокой температурой. Таким образом, 2й закон нам нужен для получения информации о характере процесса. 6 Теплоемкость, энтальпия и энтропия. II закон термодинамики Второй закон связан с понятием энтропии, являющейся мерой хаоса (или мерой порядка). Второй закон термодинамики гласит, что для вселенной в целом энтропия возрастает. Существует два классических определения второго закона термодинамики:
Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу. (Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты)
Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. (Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара) Оба определения второго закона термодинамики опираются на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает. Второй закон связан с понятием энтропии (S). Энтропия порождается всеми процессами, она связана с потерей системы способности совершать работу. Рост энтропии - стихийный процесс. Если объем и энергия системы постоянны, то любое измение в системе увеличивает энтропию. Если же объем или энергия системы меняются, энтропия системы уменьшается. Однако, энтропия вселенной при этом не уменьшается. Для того, чтобы энергию можно было использовать, в системе должны быть области с высоким и низким уровнями энергии. Полезная работа производится в результате передачи энергии от области с высоким уровнем энергии к области с низким уровнем энергии.
Определение энтропии Энтропия определяется как: S = H / T где S = энтропия (кДж/кг*К) H = энтальпия (кДж/кг) T = абсолютная температура (K) Изменение энтропии системы вызвано изменением содержания темпла в ней. Изменение энтропии равно изменению темпла системы деленной на среднюю абсолютную температуру ( Ta): dS = dH / Ta Сумма значений (H / T) для каждого полного цикла Карно равна 0. Это происходит из-за того, что каждому положительному H противостоит отрицательное значение H.
Цикл Карно— идеальный термодинамический цикл.
Конвективный теплообмен процесс переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса тепла — собственно конвективного переноса и теплопроводности (См. Теплопроводность). Таким образом, в случае К. т. распространение тепла в пространстве осуществляется за счёт переноса тепла при перемещении текучей среды из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой, а также за счёт теплового движения микрочастиц и обмена кинетической энергией между ними. В связи с тем, что для неэлектропроводных сред интенсивность конвективного переноса очень велика по сравнению с теплопроводностью, последняя при ламинарном течении (См. Ламинарное течение)играет роль лишь для переноса тепла в направлении, поперечном течению среды. Роль теплопроводности при К. т. более значительна при движении электропроводных сред (например, жидких металлов). В этом случае теплопроводность существенно влияет и на перенос тепла в направлении движения жидкости. При турбулентном течении (См. Турбулентное течение) основную роль в процессе переноса тепла поперек потока играет пульсационное перемещение турбулентных вихрей поперек течения жидкости. Участие теплопроводности в процессах К. т. приводит к тому, что на эти процессы оказывают существенное влияние теплофизические свойства среды: коэффициент теплопроводности, Теплоёмкость, Плотность. В связи с тем, что в процессах К. т. важную роль играет конвективный перенос, эти процессы должны в значительной мере зависеть от характера движения жидкости, то есть от значения и направления скорости среды, от распределения скоростей в потоке, от режима движения жидкости (ламинарное течение либо турбулентное). При больших (сверхзвуковых) скоростях движения газа на процессы К. т. начинает влиять распределение давления в потоке. Если движение жидкости обусловлено действием некоторого внешнего побудителя (насоса, вентилятора, компрессора и т.п.), то такое движение называют вынужденным, а происходящий при этом процесс К. т. — вынужденной конвекцией. Если движение жидкости вызвано наличием неоднородного поля температуры, а следовательно, и неоднородной плотности в среде, то такое движение называют свободным или естественным, а процесс К. т. — свободной или естественной конвекцией. На практике встречаются и такие случаи, когда приходится учитывать как вынужденную, так и свободную конвекцию (См. Конвекция). Наиболее интересным с точки зрения технических приложений случаем К. т. является конвективная теплоотдача, то есть процесс двух К. т., протекающий на границе раздела двух фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной, жидкой и газообразной). При этом задача расчета состоит в нахождении плотности теплового потока на границе раздела фаз, то есть величины, показывающей, какое количество тепла получает или отдает единица поверхности раздела фаз за единицу времени. Помимо указанных выше факторов, влияющих на процесс К. т., плотность теплового потока зависит также от формы и размеров тела, от степени шероховатости поверхности, а также от температур поверхности и теплоотдающей или тепловоспринимающей среды. Для описания конвективной теплоотдачи используется формула: qcт = α (Т0—Тст), где qcт — плотность теплового потока на поверхности, вт/м2; α — коэффициент теплоотдачи, вт/(м2∙ °С); T0 и Тст — температуры среды (жидкости или газа) и поверхности соответственно. Величину T0 — Тст часто обозначают Δ Т и называется температурным напором (См. Температурный напор). Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность процесса теплоотдачи; он возрастает при увеличении скорости движения среды и при переходе от ламинарного режима движения к турбулентному в связи с интенсификацией конвективного переноса. Он также всегда больше для тех сред, у которых выше коэффициент теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи существенно повышается, если на поверхности происходит фазовый переход (например, испарение или конденсация), всегда сопровождающийся выделением (поглощением) скрытой теплоты. На значение коэффициент теплоотдачи сильное влияние оказывает Массообмен на поверхности. Лучистый теплообмен (радиационный теплообмен) - процесс переноса энергии, обусловленный превращением части внутр. энергии вещества в энергию излучения (испусканием эл.-магн. волн, или фотонов), переносом излучения в пространстве со скоростью света и его поглощением веществом (обратным превращением энергии эл.-магн. волн во внутр. энергию). При этом перенос излучения в материальной среде может сопровождаться поглощением и рассеянием, а также собств. излучением среды. Однако для Л. т. наличие материальной среды между телами не является необходимым, что принципиально отличает Л. т. от др. видов теплообмена ( теплопроводности, конвективного теплообмена). Передача теплоты излучением может происходить в разл. областях спектра (в зависимости от темп-ры). Испускание лучистой энергии (тепловое излучение) абсолютно чёрного тела описывается Стефана - Больцмана законом излучения и Планка законом излучения. Применительно к условиям термодинамич. равновесия закон Стефана - Больцмана даёт выражение для плотности потока интегрального излучения в полусферу, испускаемого поверхностью абсолютно чёрного тела в пределах полусферич. телесного угла во всём интервале длин волн от 0 до, [Вт/м 2], где Вт/м 2 К 4 - Стефана - Больцмана постоянная, Т - темп-pa тела. Плотность потока моно-хроматич. излучения в полусферу в узком интервале длин волн описывается ф-лой Планка:
Здесь C1 и С2 - константы, Вт*м 2, а м*К. Излучат. свойства реальных тел отличаются от свойств абсолютно чёрного тела, что учитывается с помощью спец. коэф.- степени черноты, к-рый в зависимости от того, относится он к интегральному или монохроматич. излучению, наз. интегральной степенью черноты () или спектральной степенью черноты (). В результате плотности потоков интегрального и монохроматич. излучения для реального тела описываются выражениями ; . Тела, у к-рых спектральная степень черноты не зависит от длины волны излучения, наз. серыми телами. Парогазовые установки Парогазовая установка — электрогенерирующая станция, служащая для производства электроэнергии. Отличается от паросиловых и газотурбинных установок повышенным КПД
Преимущества
Недостатки ПГУ
Энергия речного водотока РЕКА РЕКА, крупный естественный водоток, по которому избыток воды, попадающий на сушу в виде дождя или снега, возвращается в океан. Реки являются составной частью гидрологического цикла (круговорота воды в природе), в котором вода постоянно перераспределяется на суше и в атмосфере. Реки дренируют лишь ок. 60% площади всей суши. В сухих областях постоянные водотоки отсутствуют, поскольку выпадающие там скудные осадки быстро впитываются в грунт. В холодных областях влага аккумулируется в форме льда и очень медленно перемещается вместе с ледниками. Солнечная энергетика Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии[1] и является «экологически чистой», то есть не производящей вредных отходов во время активной фазы использования[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. Достоинства
Недостатки
В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт. фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок оценивается в 139 ГВт.[7] Лидером по установленной мощности является Европа.[8] Среди стран лидером является Китай. По совокупной мощности на душу населения лидер — Германия. В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт. На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составила только около 0, 1 % общемировой генерации электроэнергии[9]. В 1985 году все установленные мощности мира составляли 21 МВт. Производство фотоэлементов в мире в 2005 году составляло 1656 МВт. Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году[10]:
Экологические проблемы При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30—50 лет. Применение кадмия, связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение, и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.В последнее время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния, по отношению к массе подложки, на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности CIS и CIGS, достойных конкурентов кремнию. Так, например, в 2005 году компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами. 23 Прили́ вная электроста́ нция (ПЭС) — особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 18 метров.Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям[1]. Однако ввиду колоссальной массы Земли кинетическая энергия ее вращения (~1029 Дж) настолько велика, что работа Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-10; Просмотров: 1607; Нарушение авторского права страницы
Парогазовая установка содержит два отдельных двигателя: паросиловой и газотурбинный. В газотурбинной установке турбину вращают газообразные продукты сгорания топлива. Топливом может служить как природный газ, так и продукты нефтяной промышленности (дизельное топливо). На одном валу с турбиной находится генератор, который за счет вращения ротора вырабатывает электрический ток. Проходя через газовую турбину, продукты сгорания отдают лишь часть своей энергии и на выходе из неё, когда их давление уже близко к наружному и работа не может быть ими совершена, все ещё имеют высокую температуру. С выхода газовой турбины продукты сгорания попадают в паросиловую установку, в котел-утилизатор, где нагревают воду и образующийся водяной пар. Температура продуктов сгорания достаточна для того, чтобы довести пар до состояния, необходимого для использования в паровой турбине (температура дымовых газов около 500 °C позволяет получать перегретый пар при давлении около 100 атмосфер). Паровая турбина приводит в действие второй электрогенератор (схема multi-shaft).Широко распространены парогазовые установки, у которых паровая и газовая турбины находятся на одном валу, в этом случае используется только один, чаще всего двухприводный генератор (схема single-shaft). Такая установка может работать как в комбинированном, так и в простом газовом цикле с остановленной паровой турбиной. Также часто пар с двух блоков ГТУ—котёл-утилизатор направляется в одну общую паросиловую установку.Иногда парогазовые установки создают на базе существующих старых паросиловых установок (схема topping). В этом случае уходящие газы из новой газовой турбины сбрасываются в существующий паровой котел, который соответствующим образом модернизируется. КПД таких установок, как правило, ниже, чем у новых парогазовых установок, спроектированных и построенных «с нуля».На установках небольшой мощности поршневая паровая машина обычно эффективнее, чем лопаточная радиальная или осевая паровая турбина, и есть предложение применять современные паровые машины в составе ПГУ[1].