Виды, способы получения, преобразования и использования энергии. Энергия и ее виды

Содержание

Как альтернативные источники энергии помогают получать тепло и электричество

Виды, способы получения, преобразования и использования энергии. Энергия и ее виды

Ухудшение экологии и истощение природных ресурсов заставляет задумываться о том, как получать электричество и тепло из возобновляемых источников.

В этой статье рассказываем, как работает альтернативная энергия и почему многие страны делают выбор в её пользу.

Что такое альтернативная энергия?

Энергия бывает возобновляемой (альтернативной) и невозобновляемой (традиционной).

Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Такая энергия ещё называется регенеративной или «зелёной».

Невозобновляемые источники – это нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением.

Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций. Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.

Ресурсы возобновляемой энергии

  • Солнечный свет
  • Водные потоки
  • Ветер
  • Приливы
  • Биотопливо (топливо из растительного или животного сырья)
  • Геотермальная теплота (недра Земли)

1. Солнечная энергия

Один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего её преобразуют в электричество солнечными батареями. Всей планете на целый год хватит энергии, которую солнце посылает на Землю за день. Впрочем, от общего объёма годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях не превышает 2%.

Основные недостатки – зависимость от погоды и времени суток. Для северных стран извлекать солнечную энергию невыгодно. Конструкции дорогие, за ними нужно «ухаживать» и вовремя утилизировать сами фотоэлементы, в которых содержатся ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк). Для высокой выработки необходимы огромные площади.

Солнечное электричество распространено там, где оно дешевле обычного: отдалённые обитаемые острова и фермерские участки, космические и морские станции. В тёплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужны обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией.

Батареи также устанавливают на беспилотные автомобили, самолёты, дирижабли, поезда Hyperloop.

Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).

Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.

Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.

3. Гидроэнергия

Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определённого напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.

Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.

4. Волновая энергетика

Есть много способов генерации электричества из волн, но эффективно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.

Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.

Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже дорогие и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны.

5. Энергия приливов и отливов

Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.

Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.

6. Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)

Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.

Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.

7. Энергия жидкостной диффузии

Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.

Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.

8. Геотермальная энергия

Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).

Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.

Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.

Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.

9. Биотопливо

Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.

  • Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.
  • Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).
  • Третье поколение – биотопливо из водорослей.

Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.

Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.

Плюсы и минусы альтернативной энергии

перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.

Преимущества:

  • Доступность – не нужно обладать нефтяными или газовыми месторождениями. Правда, это относится не ко всем видам. Страны без выхода к морю не смогут получать волновую энергию, а геотермальную можно преобразовывать только в вулканических районах.
  • Экологичность – при образовании тепла и электричества нет вредных выбросов в окружающую среду.
  • Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.

Недостатки и проблемы:

  • Траты на этапе строительства и обслуживание – оборудование и расходные материалы дорогие. Из-за этого повышается итоговая цена электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Сейчас главная задача разработчиков снизить себестоимость установок.
  • Зависимость от внешних факторов: невозможно контролировать силу ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии зависит от географии страны.
  • Низкий КПД и маленькая мощность установок (кроме ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления.
  • Влияние на климат. Например, спрос на биотопливо привёл к сокращению посевных площадей для продовольственных культур, а плотины для ГЭС изменили характер рыбных хозяйств.

Возобновляемая энергия в мире

Главный потребитель возобновляемых источников энергии – Евросоюз. В некоторых странах альтернативная энергетика вырабатывает почти 40% от всей электроэнергии. Там уже прижились разные меры поддержки: скидочные тарифы на подключение и возврат денег за покупку оборудования. Не отстают страны Востока и США.

Германия

40% электроэнергии в Германии дают возобновляемые источники. Она лидер по числу ветровых установок, которые генерируют 20,4 % электричества. Оставшаяся доля приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергетику. Немецкое правительство поставило план: вырабатывать 80% энергии за счёт альтернативных источников к 2050 году, но закрывать атомные электростанции пока не хочет.

Исландия

У Исландии очень много горячей воды, потому что она расположилась в зоне вулканической активности. Страна обеспечивает 85% домов отоплением из геотермальных источников и покрывает ими 65% потребностей населения в электроэнергии. Мощность источников настолько велика, что они хотят наладить экспорт энергии в Великобританию.

Швеция

После нефтяного кризиса 1973 года страна стала искать другие источники энергии. Началось всё с ГЭС и АЭС. Из-за атомных станций шведов часто критиковали Greenpeace, но с конца 80-х доля энергии от АЭС не растёт.

Начиная с 90-х Швеция строит оффшорные ветропарки в море. На выбросы предприятиями углерода в атмосферу введён дополнительный налог, а для производителей ветровой, солнечной и биоэнергии есть льготы.

Ещё Швеция активно использует энергию от переработки мусора и даже планирует его закупать у соседних стран, чтобы отказаться от нефти. Некоторые города получают тепло от мусоросжигательных заводов.

Китай

В Китае самая мощная ГЭС в мире – «Три ущелья». По состоянию на 2018 год – это крупнейшее по массе сооружение. Её сплошная бетонная плотина весит 65,5 млн тонн. За 2014 станция произвела рекордные для мира 98,8 млрд кВт⋅ч.

Крупнейшие ветровые ресурсы тоже здесь (три четверти из них поставлены в море). К 2020 году страна планирует выработать при их помощи 210 ГВт.

Ещё тут 2 700 геотермальных источников и делают 63% устройств для преобразования солнечной энергии. Китай занимает третье место в производстве биотоплива на основе этанола.

Альтернативная энергия в России

Разное географическое положение регионов и специфика климатических поясов в России не позволяют развивать эту отрасль равномерно. Нет инвестиций и есть пробелы в законе.

Солнечная энергия

Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.

Ветровая энергетика

Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».

Гидроэнергетика

Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».

Геотермальная энергетика

За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.

Биотопливо

Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.

Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.

Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии

Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.

First Solar Inc

Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.

Vestas Wind Systems A/S

Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.

Atlantica Yield PLC

Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.

ABB Ltd. Asea Brown Boveri

Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.

Читайте: Персональный мир и полная автоматизация. Что такое четвёртая промышленная революция?

Преобразование энергии: определение, виды и процесс передачи

Виды, способы получения, преобразования и использования энергии. Энергия и ее виды

Обеспечение нужд человечества достаточным количеством энергии – одна из ключевых задач, которые стоят перед современной наукой.

В связи с повышением энергозатратности процессов, направленных на поддержание базовых условий существования общества, возникают острые проблемы не только генерации больших объемов энергии, но и сбалансированной организации систем ее распределения. И тема преобразования энергии имеет ключевое значение в данном контексте.

От этого процесса зависит коэффициент выработки полезного энергетического потенциала, а также уровень затрат на обслуживание технологических операций в рамках используемой инфраструктуры.

Общие сведения о технологии преобразования

Необходимость использования разных видов энергии связана с различиями в процессах, для которых требуется питающий ресурс. Тепло требуется для отопления, механическая энергия – для силовой поддержки движения механизмов, а свет – для освещения.

Электричество можно назвать универсальным источником энергии и с точки зрения ее преобразования, и в плане возможностей применения в разных сферах. В качестве исходной энергии обычно используются природные явления, а также искусственно организованные процессы, способствующие генерации того же тепла или механического усилия.

В каждом случае требуется определенный вид оборудования или сложного технологического сооружения, в принципе позволяющего обеспечивать преобразование энергии в нужную для конечного или промежуточного потребления форму. Причем среди задач преобразователя выделяется не только трансформация как перевод энергии из одного вида в другой.

Зачастую данный процесс служит и для изменения некоторых параметров энергии без ее трансформации.

Преобразование как таковое может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Кроме того, например, работа солнечных генераторов на фотокристаллических элементах обычно рассматривается как трансформация энергии света в электричество.

Но вместе с этим возможно и преобразование тепловой энергии, которую Солнце отдает грунту в результате нагрева. Геотермальные модули размещаются на определенной глубине в земле и посредством специальных проводников наполняют энергетическим запасам аккумуляторы.

В простой схеме преобразования геотермальная система обеспечивает накопление энергии тепла, которая отдается отопительному оборудованию в чистом виде с базовой подготовкой.

В сложной структуре задействуется тепловой насос в единой группе с конденсаторами тепла и компрессорами, которые обеспечивают преобразование тепла и электроэнергию.

Виды преобразования электрической энергии

Существуют разные технологические методы извлечения первичной энергии из естественных природных явлений. Но еще больше возможностей для изменения свойств и форм энергии дают аккумулированные энергоресурсы, поскольку они хранятся в удобном для трансформации виде.

К наиболее распространенным формам преобразования энергии можно отнести операции излучения, нагрева, механического и химического воздействия.

В наиболее сложных системах применяются процессы молекулярного распада и многоуровневые химические реакции, в которых объединяется несколько этапов преобразования.

Выбор конкретного способа трансформации будет зависеть от условий организации процесса, вида изначальной и конечной энергии.

Среди самых распространенных видов энергии, которые в принципе участвуют в процессах преобразования можно выделить лучистую, механическую, тепловую, электрическую и химическую энергию. Как минимум, данные ресурсы успешно эксплуатируются в промышленности и бытовом хозяйстве.

Отдельного внимания заслуживают косвенные процессы преобразования энергии, которые являются производными той или иной технологической операции.

К примеру, в рамках металлургического производства требуется выполнение операций нагрева и охлаждения, в результате которых вырабатывается пар и тепло как производные, но не целевые ресурсы. В сущности, это отходные продукты переработки, которые также находят применение, подвергаются трансформации или использованию в рамках этого же предприятия.

Один из старейших с точки зрения освоения и самых важных для поддержания жизнедеятельности человека энергетических источников, без которых невозможно представить жизнь современного общества.

В большинстве случаев тепло преобразуется в электроэнергию, причем простая схема такой трансформации не требует подключения промежуточных этапов.

Однако в тепловых и атомных электростанциях в зависимости от условий их работы может применяться этап подготовки с переводом тепловой в механическую энергию, что требует дополнительных затрат. Сегодня все чаще для преобразования тепловой энергии в электричество используются термоэлектрические генераторы прямого действия.

Сам процесс трансформации происходит в специальном веществе, которое сжигается, выделяет тепло и в дальнейшем выступает источником генерации тока.

То есть термоэлектрические установки могут рассматриваться как источники электроэнергии с нулевым циклом, так как их работа запускается еще до появления базовой тепловой энергии. В качестве основного ресурса выступают топливные элементы – как правило, газовые смеси.

Они сжигаются, в результате чего происходит нагрев теплораспределительной металлической пластины. В процессе отвода тепла через специальный генераторный модуль с полупроводниковыми материалами происходит преобразование энергии.

Электрический ток генерируется радиаторной установкой, подключенной к трансформатору или аккумулятору. В первом варианте энергия сразу поступает к потребителю в готовом виде, а во втором – накапливается и отдается по мере надобности.

Генерация тепловой энергии из механической

Также один из самых распространенных способов получения энергии в результате преобразования. Суть его заключается в способности тел отдавать тепловую энергию в процессе совершения работы.

В простейшем виде данную схему трансформации энергии демонстрирует пример с трением двух деревянных предметов, в результате чего возникает огонь.

Однако для использования данного принципа с ощутимой практической пользой требуются специальные устройства.

В бытовом хозяйстве преобразование механической энергии имеет место в системах отопления и водоснабжения.

Это сложные технические конструкции с магнитопроводом и шихтованным сердечником, подключенным к замкнутым электропроводящим контурам.

Также внутри рабочей камеры данной конструкции проходят трубы отопления, которые нагреваются под действием совершаемой работы от привода. Недостатком данного решения можно назвать необходимость подключения системы к электросети.

В промышленности используются более мощные преобразователи с жидким теплоносителем. Источник механической работы подключается к замкнутым резервуарам с водой.

В процессе движения исполнительных органов (турбин, лопастей или других элементов конструкции) внутри контура создаются условия для вихреобразования. Это происходит в моменты резкого торможения лопастей.

Кроме нагрева в данном случае повышается и давление, что облегчает процессы циркуляции воды.

Преобразование электромеханической энергии

Большинство современных технических агрегатов работает на принципах электромеханики.

Синхронные и асинхронные электрические машины и генераторы используются в транспорте, станочном оборудовании, промышленных инженерных узлах и прочих силовых установках разного назначения.

То есть электромеханические виды преобразования энергии применимы и к генераторному, и к двигательному режимам работы в зависимости от текущих требований приводной системы.

В обобщенном виде любую электрическую машину можно рассматривать как систему взаимно перемещающихся магнитно-связанных электрических цепей.

К подобным явлениям также относят гистерезис, насыщение, высшие гармоники и магнитные потери.

Но в классическом представлении относить их к аналогам электрических машин можно лишь в случае, если речь идет о динамических режимах, когда система работает в рамках энергетической инфраструктуры.

В основе системы электромеханического преобразования энергии лежит принцип двух реакций с двухфазными и трехфазными компонентами, а также метод вращающихся магнитных полей. Ротор и статор двигателей выполняют механическую работу под действием магнитного поля. В зависимости от направления движения заряженных частиц устанавливается режим работы – в качестве мотора или генератора.

Совокупный химический источник энергии относится к традиционным, однако методы его преобразования не так распространены в силу экологических ограничений. Сама по себе химическая энергия в чистом виде практически не используется – по крайней мере, в виде концентрированных реакций.

В то же время естественные химические процессы окружают человека повсюду в виде высоко- или низкоэнергетических связок, которые проявляются, например, при горении с выделением тепла. Тем не менее, преобразование химической энергии целенаправленно организуется в некоторых отраслях промышленности.

Обычно создаются условия для высокотехнологичного горения в плазменных генераторах или газовых турбинах. Типичным реактивом данных процессов является топливный элемент, который и способствует получению электрической энергии.

С точки зрения КПД подобные преобразования не так выгодны по сравнению с альтернативными способами генерации электроэнергии, так как часть полезного тепла рассеивается даже в современных плазменных установках.

Преобразование энергии солнечного излучения

Как способ преобразования энергии процесс обработки солнечного света уже в скором будущем может стать самым востребованным в энергетике. Связано это с тем, что даже в наши дни каждый домовладелец теоретически может приобрести оборудование для преобразования солнечной энергии в энергию электрическую.

Ключевой особенностью данного процесса является бесплатность аккумулируемого солнечного света. Другое дело, что это не делает процесс полностью лишенным расходов. Во-первых, затраты потребуются на техническое обслуживание солнечных аккумуляторов.

Во-вторых, и сами генераторы такого типа стоят недешево, поэтому первичное вложение в организацию собственной мини-энергостанции пока могут себе позволить немногие.

Что же представляет собой солнечный генератор энергии? Это комплект фотоэлектрических панелей, выполняющих преобразование энергии солнечных лучей в электричество. Сам принцип этого процесса во многом схож с работой транзистора.

В качестве основного материала для изготовления фотоэлементов используется кремний в разных вариантах. Например, устройство для преобразования энергии Солнца может быть поли- и монокристаллическим. Второй вариант предпочтительнее по рабочим характеристикам, но стоит дороже.

В обоих случаях происходит освещение фотоэлемента, при котором активизируются электроды и в процессе их движения вырабатывается электродинамическая сила.

Преобразование паровой энергии

Паровые турбины могут применяться в промышленности как способ трансформации энергии в приемлемую форму, так и в качестве самостоятельного генератора электричества или тепла из специально направляемых потоков условного газа.

Далеко не одни турбинные машины используются как устройства преобразования электрической энергии в составе с паровыми генераторами, но их конструкция оптимально подходит для организации этого процесса с высоким КПД. Простейшее техническое решение – турбина с лопатками, к которой подключаются сопла с подаваемым паром.

По мере движения лопастей происходит вращение электромагнитной установки внутри аппарата, выполняется механическая работа и вырабатывается ток.

Некоторые конструкции турбин имеют специальные расширения в виде ступеней, где происходит превращение механической энергии пара в кинетическую.

Данная особенность устройства обуславливается не столько интересами повышения производительности преобразования энергии генератора или необходимостью выработки именно кинетического потенциала, сколько обеспечением возможности гибкой регуляции работы турбины.

Расширение в турбине обеспечивает функцию управления, что дает возможность эффективной и безопасной регуляции объемов генерируемой энергии. К слову, рабочая область расширения, которая включается в процесс преобразования, называется активной ступенью давления.

Способы передачи энергии

Способы трансформации энергии невозможно рассматривать без понятия ее передачи. На сегодняшний день выделяется четыре способа взаимодействия тел, при которых происходит передача энергии, – электрический, гравитационный, ядерный и слабый.

Передачу в данном контексте можно рассматривать и как способ обмена, поэтому принципиально разделяют совершение работы при передаче энергии и функцию теплообмена.

Какие преобразования энергии предусматривают совершение работы? Типичным примером является механическое усилие, при котором в пространстве происходит перемещение макроскопических тел или отдельных частиц тел. Помимо механической силы также выделяют магнитную и электрическую работу.

Ключевым объединяющим свойством практически для всех типов работ является способность к полному количественному преобразованию между собой. То есть электричество трансформируется в механическую энергию, механическая работа в магнитный потенциал и т.д.

Теплообмен также является распространенным способом передачи энергии. Он может быть ненаправленным или хаотическим, но в любом случае происходит движение микроскопических частиц. Количество активизированных частиц будет определять объем тепла – полезную теплоту.

Заключение

Переход энергии из одной формы в другую является нормальным, а в некоторых отраслях обязательным условием производственного энергетического процесса. В разных случаях необходимость включения этого этапа может объясняться экономическими, технологическими, экологическими и другими факторами генерации ресурса.

При этом, несмотря на разнообразие естественных и искусственно организующихся способов трансформации энергии, подавляющее большинство установок, обеспечивающих процессы преобразования, применяются только для электричества, теплоты и механической работы.

Средства для преобразования электрической энергии и вовсе являются самыми распространенными. Электрические машины, обеспечивающие трансформацию механической работы в электроэнергию по принципу индукции, к примеру, используются практически во всех сферах, где задействуют сложные технические устройства, агрегаты и приборы.

И эта тенденция не снижается, так как человечество нуждается в постоянном увеличении объемов энергетического производства, что заставляет искать новые источники первичной энергии.

На данный момент наиболее перспективными направлениями в энергетике считаются системы генерации того же электричества из механической энергии, производимой Солнцем, ветром и потоками воды в естественной природе.

Лекция 3 (4 часа) виды и способы получения, преобразования и использования энергии

Виды, способы получения, преобразования и использования энергии. Энергия и ее виды

3.1 Энергия и еёвиды

3.2 Способы полученияи преобразования энергии

3.3 Электрическиеи тепловые нагрузки и способы ихрегулирования

3.4 Прямоепреобразование солнечной энергии втепловую и электрическую

3.5 Ветроэнергетика

3.6 Гидроэнергетика

3.7 Биоэнергетика

3.8 Транспортированиетепловой и электрической энергии

3.8.1 Транспортированиетепловой энергии

3.8.2 Транспортированиеэлектрической энергии

3.9 Энергетическоехозяйство промышленных предприятий

3.1 Энергия и её виды

Энергия(от греч. energeie- действие, деятельность) представляетсобой общую количественную меру движенияи взаимодействия всех видов материи.Это способность к совершению работы, аработа совершается тогда, когда наобъект действует физическая сила(давление или гравитация). Работа-это энергия в действии.

Во всехмеханизмах при совершении работы энергияпереходит из одного вида в другой. Нопри этом нельзя получить энергии одноговида больше, чем другого, при любых еепревращениях, т. к. это противоречитзакону сохранения энергии.

Различают следующиевиды энергии: механическая; электрическая;тепловая; магнитная; атомная.

Электрическаяэнергия является одним из совершенныхвидов энергии. Её широкое использованиеобусловлено следующими факторами:

– получением вбольших количествах вблизи месторожденияресурсов и водных источников;

– возможностьютранспортировки на дальние расстоянияс относительно небольшими потерями;

– способностьютрансформации в другие виды энергии:механическую, химическую, тепловую,световую;

– отсутствиемзагрязнения окружающей среды;

– внедрением наоснове электроэнергии принципиальноновых прогрессивных технологическихпроцессов с высокой степенью автоматизации.

Тепловаяэнергия широко используется на современныхпроизводствах и в быту в виде энергиипара, горячей воды, продуктов сгораниятоплива.

Преобразованиепервичной энергии во вторичную, вчастности, в электрическую, осуществляетсяна станциях, которые в своем названиисодержат указания на то, какой видпервичной энергии преобразуется на нихв электрическую:

– на тепловой электрическойстанции (ТЭС) – тепловая;

– гидроэлектростанции(ГЭС) – механическая (энергия движенияводы);

– гидроаккумулирующейстанции (ГАЭС) – механическая (энергиядвижения предварительно наполненнойв искусственном водоеме воды);

– атомнойэлектростанции (АЭС) – атомная (энергияядерного топлива);

– приливнойэлектростанции (ПЭС) – приливов.

В РеспубликеБеларусь более 95 % энергии вырабатываетсяна ТЭС, которые по назначению делятсяна два типа:

– конденсационныетепловые электростанции (КЭС),предназначенные для выработки толькоэлектрической энергии;

– теплоэлектроцентрали(ТЭЦ), на которых осуществляетсякомбинированное производство электрическойи тепловой энергии.

3.2 Способы получения и преобразования энергии

Тепловаяэлектростанциявключает комплект оборудования, вкотором внутренняя химическая энергиятоплива (твердого, жидкого илигазообразного) превращается в тепловуюэнергию воды и пара, преобразующуюся вмеханическую энергию вращения, котораяи вырабатывает электрическую энергию.Схема выработки электроэнергии на ТЭСпредставлена на рисунке 6.

Как видно изпредставленной схемы, поступающее сосклада (С) в парогенератор (ПГ) топливопри сжигании выделяет тепловую энергию,которая, нагревая подведенную с водозабора(ВЗ) воду, преобразует ее в энергиюводяного пара с температурой 550 °С.

Втурбине (Т) энергия водяного парапревращается в механическую энергиювращения, передающуюся на генератор(Г), который превращает ее в электрическую.

В конденсаторе пара (К) отработанныйпар с температурой 123 …125 °С отдаетскрытую теплоту парообразованияохлаждающей его воде и с помощьюциркулярного насоса (Н) в виде конденсатавновь подается в котел-парогенератор.

Рисунок6Схемаработы ТЭС

Схема ТЭЦ отличается от ТЭС тем, чтовзамен конденсатора устанавливаетсятеплообменник, где пар при значительномдавлении нагревает воду, подаваемую вглавные тепловые магистрали.

Котельнаяустановкапредставляет собой комплекс устройствдля получения водяного пара под давлениемили горячей воды. Она состоит изкотлоагрегата и вспомогательногооборудования, газо- и воздухопроводов,трубопроводов пара и воды с арматурой,тягодутьевых устройств и др.

Районные,или производственные котельныепредназначены для централизованноготеплоснабжения жилищно-коммунальногохозяйства или самого предприятия. Свводом в действие ТЭЦ некоторые из нихостались без дела и могут использоватьсякак резервные и пиковые, и тогда ихназывают резервно-пиковыми.

Газотурбиннаяустановка– это двигатель, в лопаточном аппаратекоторого потенциальная энергия газапреобразуется в кинетическую энергиюи затем частично превращается вмеханическую работу, которая преобразуетсяв электрическую энергию.

Рисунок7Схемагазотурбинной установки с подводомтепловой энергии при = сonst

1- воздушный компрессор;2 – газоваятурбина; 3 – электрогенератор;4 – топливныйнасос; 5 – камера сгорания

Впростейшей газотурбинной установкепостоянного горения (рисунок 7) воздух,сжатый до некоторого давления вкомпрессоре 1, поступает в камеру сгорания5, где его температура повышается засчет сжигания топлива, подающеготопливным насосом 4, при постоянномдавлении. Продукты сгорания под давлениеми при высокой температуре подводятсяк турбине 2, в которой совершается работарасширения газа. При этом давление итемпература падают. Далее продуктысгорания выбрасываются в атмосферу.

Парогазоваяустановка– это турбинная теплосиловая установка,в тепловом цикле которой используютсядва рабочих тела – водяной пар и дымовыегазы, поступающие из котлоагрегата.

Поступающийиз атмосферы в компрессор 1 (рисунок 8)воздух сжимается с повышением температурыи подается в камеру сгорания 5, в которуюпри помощи топливного насоса ивпрыскивается топливо. В камере сгорания5 происходит горение топлива, а образующиесягазы поступают в газовую турбину 2, гдеи совершается работа.

Рисунок8Схемапарогазовой установки

1- воздушный компрессор;2 – газоваятурбина; 3- электрогенератор;4 – топ-ливныйнасос; 5- камера сгорания;6 – подогреватель;7 – котел;8 – пароваятурбина; 9- конденсатор водяногопара;10 – питательныйнасос

Отработанныегазы с температурой 350 °С и пониженнымдавлением поступают в подогреватель6, где отдают часть теплоты для подогревапитательной воды, поступающей в котел7 и, охладившись при этом, сбрасываютсяв атмосферу. Питательная вода используетсяв котле для получения пара, которыйпоступает в паровую турбину 8 с температурой

540 °С. В ней паррасширяется, производя техническуюработу.

Отработанный в турбине парпоступает в конденсатор 9, в которомконденсируется, а образовавшийсяконденсат при помощи насоса 10 направляетсясначала в подогреватель 6, где воспринимаеттепло отработавших в газовой турбинегазов, а затем – в паровой котел 7. Расходыпара и газа подбираются таким образом,чтобы вода воспринимала максимальноеколичество теплоты газов. Термическийкоэффициент полезного действия установок- свыше 60 %.

О том,насколько эффективно внедрениепаротурбинных установок, показываетвнедрение в Витебском производственномобъединении «Витязь» двух паротурбинныхустановок, которые способны вырабатывать1500 кВт электроэнергии (по 750 кВт каждая) и ежемесячно экономить до30 тыс. долларов на покупку энергии. Срококупаемости проекта – чуть больше года.

Гидроэлектростанцияпредставляетсобой комплекс гидротехническихсооружений и энергетического оборудования,посредством которых энергия водныхпотоков или расположенных на относительноболее высоких уровнях водоёмовпреобразуется в электрическую энергию.

Технологическийпроцесс получения электроэнергии наГЭС включает:

– создание разныхуровней воды в верхнем и нижнем бьефах;

– превращениеэнергии потока воды в энергию вращениявала гидравлической турбины;

– превращениегидрогенератором энергии вращения вэнергию электрического тока.

Гидроаккумулирующаяэлектростанцияпредставляет собой такую гидроэлектростанцию,в которой поступление воды в водоемверхнего бьефа обеспечиваетсяискусственно, посредством насосов,работающих за счет электроэнергии изсистемы.

Она оборудована кроме турбиннасосами (помпами) или только турбинами,которые могут работать в режиме помп(обратные турбины) для подъема воды вчасы малых нагрузок в энергосистеме снижнего бьефа в водохранилище верхнегобьефа за счет подключения к энергосистеме.

При больших нагрузках ГАЭС работаюткак обычные ГЭС.

Тепловыесхемы АЭСзависят от типа реактора; видатеплоносителя; состава оборудования имогут быть одно-, двух-, и трехконтурными.

Схемавыработки электроэнергии на одноконтурнойАЭС представленапа рисунке 9. Пар вырабатываетсянепосредственно в реакторе и поступаетв паровую турбину.

Отработанный парконденсируется в конденсаторе, иконденсат подается насосом в реактор.Схема проста, экономична.

Однако пар(рабочее тело) на выходе из реакторастановится радиоактивным, что предъявляетповышенные требования к биологическойзащите и затрудняет проведение контроляи ремонта оборудования.

Рисунок9Тепловаясхема простейшей одноконтурной атомнойэлектростанции

1 – атомный реактор;2 – турбина;3 – электрогенератор;4- конденсаторводяных паров; 5 – питательный насос

Вдвухконтурныхсхемах производства электроэнергии наАЭС имеется два самостоятельных контура(рисунок 10) – теплоносителя и рабочеготела. Общее оборудование у них -парогенератор, в котором нагретый вреакторе теплоноситель отдает своютеплоту рабочему телу и при помощициркуляционного насоса возвращаетсяв реактор.

Рисунок10Тепловаясхема простейшей двухконтурной атомнойэлектростанции

1- атомный реактор;2 -теплообменник-парогенератор;3 – главныйциркуляционныйнасос; 4 -турбина; 5- электрогенератор;6 – конденсаторводяных паров;7 – питательныйнасос

Давление в первомконтуре (контуре теплоносителя)значительно выше, чем во втором. Полученныйв теплогенераторе пар подается в турбину,совершает работу, затем конденсируется,и конденсат питательным насосом подаетсяв парогенератор. Хотя парогенераторусложняет установку и уменьшает еёэкономичность, но препятствуетрадиоактивности во втором контуре.

Втрехконтурнойсхеме теплоносителями первого контураслужат жидкие металлы (например, натрий).Радиоактивный натрий из реакторапоступает в теплообменник промежуточногоконтура с натрием, которому отдаеттеплоту и возвращается в реактор.

Давление натрия во втором контуре выше,чем в первом, что исключает утечкурадиоактивного натрия. В промежуточномвтором контуре натрий отдает теплотурабочему телу (воде) третьего контура.

Образовавшийся пар поступает в турбину,совершает работу, конденсируется ипоступает в парогенератор.

Трехконтурнаясхема требует больших затрат, нообеспечивает безопасную работу реактора.

ОтличиеТЭС от АЭС состоит в том, что источникомтеплоты на ТЭС является паровой котел,в котором сжигается органическоетопливо; на АЭС -ядерный реактор, теплотав котором выделяется делением ядерноготоплива, обладающего высокой теплотворнойспособностью (в миллионы раз выше, чеморганическое топливо). Один грамм уранасодержит 2,610ядер, при делениикоторых выделяется 2000 кВт • ч энергии.Для получения такого же количестваэнергии нужно сжечь более 2000 кг угля.

Однакопри эксплуатации АЭС образуется большоеколичество радиоактивных веществ втопливе, теплоносителе, конструкционныхматериалах. Поэтому АЭС являетсяисточником радиационной опасности дляобслуживающего персонала и проживающеговблизи населения, что повышает требованиек надежности и безопасности еёэксплуатации.

Теплоэлектрацентраль(ТЭЦ) – это тепловая электростанция,выраба-тывающая не только электрическуюэнергию, но и тепло, отпускаемоепотре-бителям в виде пара и горячей водыдля коммунально-бытового потребления.

При такой комбинированной выработкетепловой и электрической энергии втепловую сеть отдается главным образомтеплота отработавшего в турбинах пара(или газа), что приводит к снижениюрасхода топлива на 25-30 % по сравнению сраздельной выработкой энергии на КЭСили ГРЭС (государственные районныеэлектростанции) и теплоты в районныхкотельных.

Виды источников энергии и их использование

Виды, способы получения, преобразования и использования энергии. Энергия и ее виды

Люди используют различные виды энергии для всего, от собственных движений до отправки космонавтов в космос.

Существует два типа энергии:

  • способность совершить (потенциальная)
  • собственно работа (кинетическая)

Поставляется в различных формах:

  • тепла (тепловая)
  • свет (лучистая)
  • движение (кинетическая)
  • электрическая
  • химическая
  • ядерная энергия
  • гравитационная

Например пища, которую человек ест содержит химическую и тело человека хранит её  пока он или она израсходует как кинетическую во время работы или жизни.

Классификация видов энергии

Люди используют ресурсы разных видов: электричество в своих домах, добываемое  путем сжигания угля, ядерной реакции или ГЭС на реке. Таким образом, уголь, ядерная и гидро называются источником. Когда люди заполняют топливный бак бензином источником может быть нефть или даже выращивание и переработка зерна.

Источники энергии делятся на две группы:

  • Возобновляемые
  • Невозобновляемые

Возобновляемые и невозобновляемые источники можно использовать в качестве первичных для получения пользы, такого как тепло или использовать для производства вторичных энергетических источников, таких, как электричество.

Когда люди используют электричество в своих домах, электроэнергия вероятно создается сжиганием угля или природного газа, ядерной реакции или ГЭС на реке, или из нескольких источников. Люди используют для топлива своих автомобилей сырую нефть (невозобновляемая), но могут и биотопливо (возобновляемая) как этанол, который производится из переработанной кукурузы

Возобновляемые

Есть пять основных возобновляемых источников энергии:

  • Солнечная
  • Геотермальное тепло внутри Земли
  • Энергия ветра
  • Биомасса из растений
  • Гидроэнергетика из проточной воды

Биомасса, которая включает древесину, биотопливо и отходы биомассы, является крупнейшим источником возобновляемой энергии, на которую приходится около половины всех возобновляемых и около 5% от общего объема потребления.

Невозобновляемые

Большая часть ресурсов, потребляемых в настоящее время  из невозобновляемых источников:

  • Нефтепродукты
  • Углеводородный сжиженный газ
  • Природный газ
  • Уголь
  • Ядерная энергия

На невозобновляемые виды энергии приходится около 90% всех используемых ресурсов.

Сырая нефть, природный газ и уголь представляют ископаемые виды топлива, поскольку они были сформированы в течение миллионов лет под действием Солнца, тепла от ядра земли и давления почвы на остатки (или окаменелости) из отмерших растений и существ как микроскопическая диатомия. Большинство нефтяных продуктов, потребляемых в мире изготовлены из сырой нефти, но нефтяные жидкости также могут быть сделаны из природного газа и угля.

Ядерная  энергетика работает  больше на уране, источнике невозобновляемого топлива, чьи атомы делятся (с помощью процесса, называемого ядерным делением) для создания тепла и, в конечном счете, электричества.

Основным видом энергии, потребляемой во многих странах являются нефтепродукты, природный газ, уголь, ядерное и возобновляемое топливо.

Основными пользователями этих запасов являются жилые и коммерческие здания, промышленность, транспорт и электроэнергетика. Характер использования топлива широко варьируется в зависимости от системы применения.

Например, нефть обеспечивает 92% топлива, используемого для транспортировки, но  обеспечивает лишь около 1% ресурсов, используемых для выработки электроэнергии.

Понимание взаимосвязей между различными видами энергии  и её использование дает представление о многих важных вопросах энергетики.

Первичная энергия

Первичная энергия как вид включает в себя нефть, природный газ, уголь, ядерная энергия и возобновляемые источники энергии.

Электричество является вторичным источником, который создается с помощью этих первичных форм. Например, уголь является первичным источником, который сжигается на электростанциях для выработки электроэнергии, которая является вторичным источником.

Первичные виды энергии обычно измеряются в различных единицах, например, баррелях нефти, кубометрах газа, тоннах угля. Также используется общая единица измерения британская тепловая единица, или БТЕ, для измерения содержания для каждого типа.

1 Гкал/час = 1,163 МВт

1 Вт = 859.8 кал/час

1 Вт = 3.412 BTU/час

BTU – британская тепловая единица (БТЕ) Россия потребляет квадриллионы БТЕ.

В терминах физических величин, один квадриллион составляет примерно 172 миллиона баррелей нефти, 51 млн. тонн угля или 1 трлн. куб. м газа.

На нефть приходится наибольшая доля в потреблении первичной энергии, затем природный газ, уголь, атомные электростанции и  возобновляемые источники энергии (включая гидроэнергию, ветра, биомассы, геотермальные, солнечные).

Как распределяются виды энергии в каждой системе

Различные виды энергии  используются в жилых и коммерческих зданиях, на транспорте, в промышленности и электроэнергетике.

Электроэнергетическая система является крупнейшим потребителем первичной и используется для выработки электроэнергии. Почти вся электроэнергия используется в зданиях и промышленности.

Общее количество электроэнергетической системы, используемой в жилых и коммерческих зданиях, промышленности и транспорте огромное.

Почти все ядерное топливо используется в электроэнергетической системе для выработки электроэнергии. Её доля в России составляет 18% от первичной энергии. Во Франции – 75%, Венгрии – 52% , Украине – 56%. В среднем в мире порядка 10%.

Смесь первичных источников широко варьируется в различных системах спроса.

Энергетическая политика, призванная повлиять на использование конкретного основного источника с целью повлиять на  окружающую среду, экономическую или энергетическую безопасность сосредоточивается на системах, которые являются основными пользователями этого типа энергии. Например, 71% нефти используется в транспортной системе, где она потребляет  92% от общего объема первичного энергопотребления.

Политика по сокращению потребления нефти чаще всего относится к транспортной системе. Эта политика обычно стремится увеличить эффективность автомобильного топлива или поощрять развитие  альтернативных видов топлива.

Около 91% угля и только 1% из нефти, используется для выработки электроэнергии, что выявляет стратегию, влияющую на выработку электроэнергии, и имеет гораздо большее значение на использование угля, чем использование нефти.

Некоторые первичные виды энергии, такие как ядерная и угольная, полностью или преимущественно используются для добычи электричества. Другие, такие как природный газ и возобновляемые источники, более равномерно распределены по системам. Аналогичным образом сейчас транспорт почти полностью зависит от одного вида топлива (нефтяного).

Однако электроэнергетика с внедрением новых технологий больше использует различные источники энергии для выработки электричества. Например, идут практические реализации для получения электричества из биомассы.

Изменяется ли потребление топлива с течением времени

Источники потребляемой энергии с течением времени меняются, но изменения происходят медленно. Например, уголь когда-то широко использовался в качестве топлива для отопления домов и коммерческих зданий, однако конкретное использование угля для этих целей сократилось за последние полвека.

Хотя доля возобновляемого топлива от общего потребления первичной энергии еще относительно невелика, его использование растет во всех отраслях. Кроме того, использование природного газа в электроэнергетике возросло в последние годы из-за низких цен на природный газ, в то время как использование угля в этой системе сократилось.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.