Первичный источник энергии какие преобразования энергии происходят. Виды преобразования электрической энергии

Термодинамическое преобразование энергии, с кпд близким к 100%, реально

В. Михайлюк

В процессе преобразования химической энергии топлива в механическую энергию машин, нагрев рабочего тела (р.т.), иными словами накачка молекул р.т. кинетической энергией, производится с целью увеличения давления р.т. в рабочих цилиндрах, камерах сгорания. Только перепад давления, разделённый поршнем (в других типах двигателей между камерой сгорания и точкой сброса отработанного р.т.) приводит к возникновению результирующей, направленной в сторону низкого давления. Перепад температур, не является необходимым условием для работы двигателя. Вполне реальна работа двигателя в условиях, когда температура окружающей атмосферы будет выше температуры в рабочем цилиндре. Ни какого теплообмена во время совершения рабочего цикла нет. Само понятие тепло является наследием калорической теории и не соответствует молекулярной теории газообразной фазы состояния вещества. Никогда в рабочем цикле не было холодильников. Холодильник самостоятельная машина, служащая для регенерации и подготовки рабочего тела. Подготовьте запас рабочего тела получаемого с его помощью и смело отключайте его, машина будет работать. Но реаниматоры “второго начала” утверждают, роль холодильника играет более холодная атмосфера. Чтобы убедиться в абсурдности этого утверждения направьте выхлоп двигателя (можно своего автомобиля), последовательно, в пламя костра и в сосуд Дьюара, на поверхность жидкого азота. Убедились в том, что нет зависимости от температуры, и необходимости в холодильнике. Но, если перекрыть отводной канал (выхлоп), то в связи с исчезновением перепада давления произойдёт почти мгновенная остановка двигателя, к аналогичным последствиям приводит декомпрессия. Нагрев р.т., это способ съёма энергии получаемой в результате химической (ядерной) реакции топлива, с целью получения высокого давления р.т., и дальнейшим преобразованием в механическую энергию. Мы повышаем температуру р.т., за счёт энергии топлива, с целью повышения его давления до уровня кондиционного. Именно так. При температуре р.т.8000К достигаем давления в рабочих цилиндрах 25Мпа. Температуру р.т.8000К мы можем получить и при давлении 0,1Мпа, только турбины не сдвинутся с места. Где теплообмен, основа рассуждений Карно, в результате которых он сделал заключение о невозможности термодинамических преобразований с к.п.д. близким к 100%? Где холодильники, без которых невозможно преобразование энергии? Карно пошёл по пути средневековых философов, употребляя лишь слово тепло вместо “теплород”. Всё остальное как у них: тепловые резервуары, тепло течёт …. Энергетическое состояние молекул, составляющих физический объект, определяется кинетической энергией поступательного, вращательного и колебательного движений этих молекул. Количественной мерой средней кинетической энергии молекул составляющих объект является его температура. Она однозначно определяет энергетическое состояние объектов, представленных в жидкой и твёрдой фазах вещества, имеющих постоянный объём. В газообразном состоянии, объект занимает объём предоставленного пространства. Поэтому однозначно, одной температурой, энергетическое состояние объекта определяться не может. В этом случае, общая внутренняя энергия объекта, в количественном отношении, в первую очередь определяется плотностью энергии или удельной энергией, т.е. количеством внутренней энергии приходящейся на единичный объём. Температура, в этом случае, приобретает свойства качественной характеристики.

Рассмотрим уравнение Клапейрона-Менделеева:

PV = m/μ R T, запишем в виде: i/2 PV = i/2 m/μ RT;

правая часть этого уравнения, есть внутренняя энергия идеального газа W;

Следовательно W = i/2 PV, или W/V =i/2 P,

но W/V есть ничто иное как плотность внутренней энергии газа, которую обозначим W0, тогда:

W0 = i/2 P, т.е. плотность внутренней энергии газа равна давлению газа умноженному на половину числа степеней свободы газа i, дж/м3 (обратите внимание при сокращении на м мы получаем н/м2 или паскаль). Непосредственному измерению она не подлежит, но легко вычисляется через давление газа. Вот почему решающим, скорее единственным, фактором определяющим энергоёмкость рабочего объёма, является давление газа.

Для всех ныне известных тепловых двигателей от паровозного до ракетного (объединим их под названием термодинамические преобразователи 1го рода), характерно прохождение рабочим телом 3х следующих стадий, во время совершения рабочего цикла:

Накачка р.т. внутренней энергией или его нагрев, с целью увеличения плотности энергии, т.е. повышения давления.

Адиабатическое расширение р.т. с преобразованием внутренней энергии р.т. в механическую энергию машин. Движущийся со стороны преобладающего давления поршень (или другой рабочий орган), наращивающий свою кинетическую энергию от каждого превалирующего столкновения молекул р.т., со стороны рабочего цилиндра, является признаком происходящего преобразования. При таких столкновениях с поршнем, молекулы р.т. отдают ему часть скорости, импульса, энергии, в результате они и всё работающее р.т., естественно, охлаждаются. Снижение температуры р.т. и соответствующее ему уменьшение его внутренней энергии - признак совершения механической работы на такую же величину.

Сброс отработанного р.т., производится в момент, рассчитанный конструктором двигателя, когда, по его мнению, дальнейшее преобразование энергии становится нерентабельным для данной конструкции. До этого момента энергетические потери всех известных двигателей близки к 0, т.е. к.п.д. около 100%. Только в момент сброса отработанного р.т., вместе с ним утилизируется энергия равная разности энергии сбрасываемого р.т. и его энергии перед началом нагрева.

Никаких холодильников. Для повторения циклов берутся новые порции р.т., и с ними совершаются те же действия. И только если мы решили, что более рациональной будет регенерация отработанного р.т., с целью повторного его использования, мы производим сброс отработанного р.т. в холодильник. Холодильник является обособленной машиной прямо не связанной с работой двигателя, его задачей является подготовка р.т. к повторному использованию. Как видим, логика исследований Карно построена на средневековом представлении природы явлений, понятии тепла (теплорода). Потому и результат таков, что он не разобрался даже в том, что нагрев производится для повышения давления. Вывод о невозможности полного преобразования энергии в полезную работу бездоказателен и абсурден, но именно этот запрет является ярлыком “изобретателя вечного двигателя”, хотя и второго рода. Он отбросил технический прогресс человечества на многие годы. Мы с энтузиазмом взялись за решение проблемы управляемого термоядерного синтеза, ведь энергоёмкость термоядерного топлива в 5 раз превосходит ядерное, при одинаковой массе. Но то, что ядерное топливо более чем в миллион раз превосходящее по энергоёмкости лучшее химическое топливо, не выиграло конкуренции, мы проигнорировали, без единой попытки разобраться в причинах этого, далеко неординарного случая. На суперсовременных АЭС утилизируется 60% энергии распада топлива и только 40% преобразуется в электроэнергию, т.е. по назначению. Следуя по указанному Карно ложному пути, оптимисты с надеждой и умилением смотрят на гейзеры и другие горячие источники, как на альтернативу тепловым электростанциям, (как же, есть завещанный Карно перепад температур). Но если бы они измерили температуру пара на выходе из турбин в так называемый холодильник …, думаю, начался бы поиск вредителей. АЭС вызывают чувство потенциальной опасности у граждан, не смотря на то, что на них не возможен ядерный взрыв. Реальная опасность их в том, что в случаях технических аварий возможны утечки радиоактивных веществ, тепловой взрыв, и в случаях выброса в атмосферу продуктов распада, это может привести к радиоактивному заражению местности. Отсюда вывод: АЭС должны находиться глубоко под землёй, в скальных породах. Но помеха этому необходимость в охлаждающих резервуарах, которые принимают 60% энергии сгораемого топлива.

Суть выше изложенного, состоит в отрицании 2го начала термодинамики, неприемлемости его положений и утверждении других закономерностей, происходящих вовремя термодинамического преобразования энергии. Второе начало неприемлемо, т.к. в излагаемых, во 2ом начале, утверждениях употребляется понятие “тепло” идущее в разрез с общепризнанной моделью молекулярного строения веществ. Энергетическое состояние газообразного объекта определяется двумя параметрами температурой и давлением (плотностью энергии). Носителями этой энергии является совокупность молекул составляющих объект.

Восприятие внутренней энергии как самостоятельного объекта, а не как параметров частиц составляющих его, привело к созданию ошибочных теорий с “теплородом” и являющимся ему аналогом “теплом”. В свою очередь, “тепло”, как объект, требовало правило о возможных направлениях перемещения. Для тех, кто видит мир молекулярным, не требуется дополнительных пояснений о том, куда будет стремиться избыток кинетической энергии молекул в случаях неравномерного её распределения в пространстве.

Второе начало неприемлемо, т.к. декларирует невозможность полного превращения “тепла” в работу по причине обязательного наличия холодильника и неизбежных, в связи с этим потерь в нём. Но элементарные опыты отрицают необходимость в них на всех стадиях рабочего цикла. Полнота преобразования энергии топлива(химической, ядерной), в механическую энергию машин, не имеет объективных ограничений и зависит лишь от степени совершенства механизма преобразования..

Cамое парадоксальное противоречие второго начала состоит в том, что Карно, пытаясь обосновать невозможность полного превращения тепла в механическую энергию, представил свою знаменитую формулу η = (Тн – То) / Тн, прямо доказывающую обратное.

Для этого принимаем температуру нагревателя равной Тн = 8000К (5270С),

а температуру холодильника равной Т0 = 40К(температура жидкого гелия).

Тогда получим η = 0,995.

Охлаждая более доступным жидким азотом,

получим η = (800 – 77)/800 = 0,904.

Во втором случае кпд несколько дальше от 100%, но согласитесь, 90,4% стало бы сенсацией. Так что именно Карно является “отцом вечного двигателя второго рода”. Но обольщаться не стоит. Этого результата вы никогда не получите, потому что второе начало это клубок сплошных ошибок. Если быть откровенным, то мной, при том гораздо раньше, была разработана теория, термодинамического преобразователя 2го рода, с к.п.д. преобразования близким к 100%, на основании положений молекулярно кинетической теории газов и современной физики. Но это было незаконное дитя. В течении длительного периода времени я тщетно пытался доказать, что второе начало законно только для “паровозной технологии”, пока не обнаружил причину, которая меня шокировала …. Оказалось, что 2ое начало базируется, на ошибочных предположениях и утверждениях, что и было выше изложено. Даже анализ работы двигателя Карно заменил анализом движения поршня в цилиндре, под действием нагретого пара, а затем вернул его в исходное положение, путем охлаждения пара в цилиндре, что противоречит даже ему самому. Таких двигателей никогда не существовало. Р.т. не может охлаждаться из вне, в рабочем цикле.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://sciteclibrary.ru/

Мировое потребление энергии во всех ее видах, в том числе и электроэнергии, находится в непосредственной зависимости от численности населения. Население Зем­ли растет особенно значительно в последнее время и к 2000 г. составит, по существующим прогнозам, примерно 6 млрд. человек. Динамика роста населения во второй половине XX в. такова, что к 2000 г. население возрас­ло более чем в 2 раза по сравнению с 1950 г. (табл. 3.1). Большая доля в приросте населения приходится на раз­вивающиеся страны. Наряду с увеличением общего по­требления энергии в мире растет также доля энергии, приходящаяся на одного человека (табл. 3.1).

Огромные потребности в энергии ставят перед чело­вечеством проблему разработки новых способов ее получения. В настоящее время уже нельзя довольствоваться существующими, ставшими традиционными способами преобразования различных видов энергии в электриче­скую из-за ограниченности запасов органического топ­лива, которое расточительно используется при сжигании в топках. КПД современных ТЭС не превышает 40%. Это означает, что большая часть получаемой теплоты те­ряется и оказывает пагубное «тепловое загрязнение» на близрасположенные водоемы. Кроме того, при сжигании топлива плохо используется вещество, вовлеченное в процесс преобразования энергии. КПД по использова­нию вещества составляет у ТЭС ничтожно малую вели­чину.

Таблица 3.1

Следовательно, процесс сжигания топлива сопро­вождается огромными выбросами побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Поэтому разработка новых способов преобразования энергии, позволяющих уменьшить выбросы отходов в атмосферу, относится к важнейшим социальным проблемам. Это, конечно, не означает, что современнее ТЭС, ГЭС и АЭС не соответ­ствуют духу времени и их строительство будет пре­кращено.

В обозримом будущем ТЭС останутся одними из ос­новных, поэтому совершенствование их конструкции, улучшение термодинамического цикла актуально для большой энергетики.

Большие надежды возлагаются на АЭС, внедрение которых происходит во многих странах мира с невиданными в истории техники темпами. Ожидается, что к 2000 г. суммарная мощность АЭС в мире составит 3500-3600 ГВт, в то время как общая энергетическая мощность достигнет 7000-7200 ГВт. Иными словами, предполагается, что не менее 50% всей располагаемой человечеством энергетической мощности будет приходится на АЭС. Приведенные цифры свидетельствуют о большом темпе развития, в особенности если учесть, что первая АЭС была построена в 1954 г.

По использованию вещества на АЭС КПД значительно выше, чем на ТЭС (см. табл. 2.1), но при условии что это вещество специально подготовлено для выполнения функций ядерного топлива. При этом на АЭС классический термодинамический цикл преобразования теплоты в механическую энергию, которая затем генераторами преобразуется в электрическую, приводит к большим потерям энергии, получаемой в реакторах. Таким образом, на современных АЭС не удается избежать основных принципиальных недостатков, свойственных ТЭС.

Заманчива перспектива науки - получить эффективные способы непосредственного преобразования ядерной энергии в электрическую. Предвидев то огромное значение, которое ядерная энергия призвана сыграть в истории человечества, Герберт Уэллс в начале XX в. писал; «...уже занималась заря мощи и свободы под небом озаренным надеждой, перед ликом науки, которая, подобно благодетельной богине, держала в сильных рукам над кромешным мраком человеческой жизни изобилие, мир, ответ на бесчисленные загадки, ключи к славнейшим деяниям, ожидая, пока люди соблаговолят их взять...».

Широко используемые во многих странах мира ГЭС сооружаемые на реках, и в дальнейшем будут развиваться как весьма современные преобразователи энергии в возобновляемой форме. В связи с возрастающим загрязнением биосферы и ограниченностью запасов топлива повышается интерес к «чистым» электростанциям, использующим энергию морских приливов, теплоту земных недр, энергию солнечной радиации.

Таким образом, вместе с развитием цивилизации и технического прогресса будут совершенствоваться существующие, ставшие классическими, и создаваться новые, более эффективные способы преобразования энергии. В отдаленной перспективе человечество будет распола­гать арсеналом качественно иных источников энергии, и то, чем оно пользуется сегодня, неизбежно отойдет в прошлое, как в настоящее время стали историческими паровые машины.

Несмотря на бурный прогресс в энергетике и высокие темпы наращивания энергетического потенциала плане­ты, производство энергии недостаточно. Все еще прихо­дится считаться с тем реальным фактом, что большая часть населения планеты голодает, страдает от нищеты и загрязнения окружающей среды.

Кроме того, потребление энергии в мире (различных странах) крайне неравномерно, а как показано выше, потребление энергии в стране определенным образом связано с культурным уровнем (см. с. 19) ее населения. Развитие цивилизации и производство материальных ценностей также непосредственно связаны с количест­вом потребляемой энергии и ее качеством.

Для улучшения условий жизни людей на планете, значительного повышения производительности труда, изменения ландшафтов в широких масштабах, а также решения ряда других жизненно важных проблем наря­ду с созданием необходимых социальных условий разви­тия важное значение имеет получение достаточно боль­ших количеств энергии.

Как справедливо пишут американские ученые Г. Сиборг и У. Корлисс, «...дешевая энергия - это значит пи­ща в достатке, обилие пресной воды, чистый воздух и все то, что принято называть признаками цивилизации».

Нехватка в современном мире продуктов сельского хозяйства ставит перед правительствами ряда стран про­блему повышения их производства. В некоторой мере увеличение продуктов питания можно получить за счет использования пригодных для земледелия пустующих земель. Однако эти возможности имеются не во всех нуждающихся в продовольствии странах и, кроме того, они ограничены. В условиях быстрого увеличения чис­ленности населения решение проблемы продуктов пита­ния возможно только путем интенсификации сельского хозяйства и в первую очередь орошения земли. Запасы пресной воды, пригодной для целей орошения, невелики. Издавна люди мечтали использовать для нужд сель­ского хозяйства морскую воду, омывающую берега. Опреснение морской воды в промышленных масштабах становится возможным в настоящее время, когда с помо­щью наиболее пригодных для этого АЭС стало доступ­ным получение в больших количествах теплоты, необхо­димой для дистилляции морской воды.

По существующим подсчетам 1/3 Земли из-за отсут­ствия влаги не заселена, в то время как 1/2 населения земного шара «теснится» на 1/10 суши. С помощью дешевых источников энергии можно было бы незаселен­ную территорию Земли превратить в процветающую, открывающую широкие горизонты для значительной час­ти населения планеты.

Огромные количества энергии потребуются человече­ству также для решения таких задач, как изменение климата на обширных пространствах путем изменения направления морских течений или сооружения водоемов с большой поверхностью испарения, преобразование ландшафта, строительство искусственных морских зали­вов и т. п.

Применяемые в современной энергетике способы получения электрической энергии сопровождаются боль­шими потерями и основаны на расточительном использо­вании органического топлива. В будущем, по мере воз­растания потребности в больших количествах дешевой энергии и более рационального использования природ­ного сырья для производства продуктов химической, фармацевтической промышленности и т. п., неизбежно на смену ставшим традиционными способам преобразо­вания энергии придут качественно новые способы, в первую очередь способы непосредственного преобразо­вания теплоты и химической энергии в электрическую.

Способы непосредственного преобразования различ­ных видов энергии в электрическую основываются на физических явлениях и эффектах, открытых в прошлом. Их практическое применение совершенствуется по мере прогресса в науке и технике, накопления богатого экспе­риментального материала и использования новейшей технологии. Однако способы непосредственного получе­ния электрической энергии пока не конкурентоспособны со способами преобразования энергии, применяемыми на современных электрических станциях. Непосредственное получение в больших количествах электроэнергии преоб­разованием теплоты, химической и ядерной энергии относится к новым, перспективным способам, которые не­сомненно станут основными и значительно увеличат доступные энергетические ресурсы планеты.

Непосредственное получение электрической энергии уже широко используется в автономных источниках энер­гии небольшой мощности, для которых показатели эко­номичности работы не имеют решающего значения, а важны надежность работы, компактность, удобство обслуживания, небольшая масса и т. д. Такие источники энергии применяются в системах сбора информации в труднодоступных местах Земли и в межпланетном про­странстве, на космических аппаратах, самолетах, судах и т. п. Суммарная установленная мощность миллиардов автономных источников электроэнергии, несмотря на их скромные размеры, превосходит мощность всех стацио­нарных электростанций, вместе взятых.

Работа автономных источников, непосредственно преобразующих различные виды энергии в электриче­скую, основана либо на химических, либо на физических эффектах. В химических источниках, например, таких, как гальванические элементы, аккумуляторы, электро­химические генераторы и т. п., используется энергия окислительно-восстановительных реакций химических реагентов. Физические источники электроэнергии, такие, как термоэлектронные генераторы, фотоэлектрические батареи, термоэмиссионные генераторы, работают в со­ответствии с различными физическими эффектами.

К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности практической реализации такого рода пре­образования энергии в широких промышленных масшта­бах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую позволяет существенно повысить эффек­тивность использования топливных ресурсов.

Для современной электроэнергетики большое значе­ние имеет открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. При этом проводник может быть твердым, жидким или газо - образным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостям ми или газами, называется магнитогидродинамикой.

Еще Кельвин показал, что движение в устье река соленой воды в магнитном поле Земли вызывает появ­ление ЭДС. Схема такого МГД-генератора Кельвина по­казана на рис. 3.1. В соответствии с законом электромагнитной индукции сила тока в проводниках 1, присоединенных к пластинам 2, опущенным в воду вдоль берегов реки, пропорциональна индукции магнитного поля! Земли и скорости течения соленой морской воды в реке.1 При изменении направления течения воды в реке изменялось также и направление электрического тока в проводниках между пластинами.

Принципиальная схема действия современного МГД-1 генератора (рис. 3.2) мало отличается от приведенной на рис. 3.1. В рассматриваемой схеме между металлическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами! внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа - плазмы - тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока, Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и про­исходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.

Если какой-либо газ нагреть до высокой температу­ры (~3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование теп­ловой энергии в электрическую.

Рис. 3.3. Принципиальная схе­ма МГД-генератора с пароси­ловой установкой: " - камера сгорания; 2 - теплооб­менник; 3 - МГД-генератор; 4 - об­мотка электромагнита; 5 - паро­генератор; 6 - турбина; 7 - гене­ратор; 3 - конденсатор; 9 - насос

Принципиальная схема МГД-генератора с пароси­ловой установкой показана на рис. 3.3. В камере сгора­ния сжигается органическое топливо, получаемые при этомпродукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД-генератора. Сильное магнит­ное поле создается мощными электромагнитами. Темпера­тура газа в канале генерато­ра должна быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания 2500-2800°С. Необходи­мость ограничения мини­мальной температуры газов, покидающих МГД-генерато-ры, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что у них практиче­ски исчезает магнитогидро-дннамическое взаимодейст­вие с магнитным полем.

Теплота отработанных в МГД-генераторах газов вна­чале используется для подо­грева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и, следовательно, повышения эффективности процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его пара­метров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температу­рах, не превышающих 800°С, поэтому при охлаждении газов часть теплоты теряется.

На рис. 3.4 (см. форзац II) схематически показаны основные элементы МГД-электростанции с паросиловой установкой и их взаимосвязи.

Трудности в создании МГД-генераторов состоят в по­лучении материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъяв­ляют высокие требования, так как они должны длитель­но работать в агрессивных средах при высоких темпера­турах (2500-2800°С). Для нужд ракетной техники соз­даны материалы, способные работать в таких условиях, однако они могут работать непродолжительное время - в течение минут. Продолжительность работы промыш­ленных энергетических установок должна исчисляться, по крайней мере, месяцами.

Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электриче­ской лампе при температуре 2500-2700°С может рабо­тать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкци­онных материалов. В настоящее время созданы материа­лы, которые могут работать длительно при температуре 2200-2500°С (графит, окись магния и др.), однако они не способны противостоять механическим напряжениям.

Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора пока не решена. Ве­дутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разработан проект МГД-гекератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно цирку­лирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить про­пусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможно­сти наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие мате­риалы.

МГД-генераторы с ядерными реакторами. Перспективны МГД-генераторы с ядерными реак­торами, используемыми для нагреваний газов и их тер­мической ионизации. Предполагаемая схема такой уста­новки показана на рис. 3.5.

Трудности создания МГД-ген ер а тор а с ядерным ре­актором состоят в том, что современные тепловыделя­ющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью магния, допускают темпе­ратуру, не намного пре­вышающую 600°С, в то время как для ионизации газов необходима темпе­ратура, равная примерно 2000°С.

Первые опытные кон­струкции МГД-генерато-ров имеют пока высокую стоимость. В будущем можно ожидать сущест­венного снижения их стои­мости, что позволит ус­пешно использовать МГД-генераторы для покрытия пи­ков нагрузки в энергосистемах, т. е. в режимах относи­тельно непродолжительной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения и МГД-генераторы могут использоваться и без паросиловой пристройки.

В настоящее время в СССР сооружены мощные опытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования по совершен­ствованию их конструкции и созданию эффективных МГД-электростанций, конкурентоспособных с обычны­ми электростанциями.

Рис. 3.5. Проект МГД-генератора с ядерным реактором:

1 - ядерный реактор; 2 - сопло; 3 - МГД-генератор; 4 - место кон­денсации щелочных металлов; 5 - насос; 6 - место ввода щелочных металлов

Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) относительно небольшой мощности применяются наиболее широко.

Основные достоинства ТЭГ: 1) отсутствуют движу­щиеся части; 2) нет необходимости в высоких давлениях; 3) могут использоваться любые источники теплоты;

4) имеется большой ресурс работы.

В качестве источников энергии ТЭГ широко используют на космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих других установках.

В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, получаемая при распаде радиоактивных изотопов и делении ядер тяжелых элементов в реакторах, стала применяться в ТЭГ с конца 50-х годов.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. В 1921 г. Зеебек сообщил об экспериментам, связанных с отклонением магнитной стрелки вблизи термоэлектрических цепей. В этих исследованиях Зеебек не рассматривал задачу получения энергии. Сущность открытого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.

Эффект Зеебека можно качественно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному увеличивается с повышением температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего - избыток положительных. Поток этот более интенсивен в проводниках с большой концентрацией электронов. В простейшем термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возникает электрический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следовательно, тем выше ЭДС. Поэтому полупроводниковые элементы более эффективны, чем металлы.

Одно из практических применений ТЭГов - тепловой насос в одной части выделяющий, а в другой - поглоща­ющий теплоту за счет электрической энергии. Если из­менить направление тока, то насос будет работать в противоположном режиме, т. е. части, в которых проис­ходит выделение и поглощение теплоты, поменяются местами. Такие тепловые насосы могут успешно приме­няться для терморегуляции жилых и прочих помещений. Зимой насосы нагревают воздух в помещении и охлаж­дают его на улице (рис. 3.6, а), а летом, наоборот, охлаждают воздух в помещении и нагревают на улице (рис. 3.6,б). На рис. 3.6, в показаны общий вид и схема установки теплового насоса в помещении.

В настоящее время созданы полупроводники, работа­ющие при температуре более 500°С. Однако для про­мышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести примерно до 1100°С. При таком повышении тем­пературы полупроводники различных типов проявляют тенденцию к превращению в собственно полупроводни­ки, у которых числа носителей положительных и отрица­тельных зарядов равны. Эти заряды при создании гра­диента температуры перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве и, следовательно, накап­ливание потенциала не происходит, т. е. не создается термо-ЭДС. Собственно полупроводники бесполезны для целей генерирования термоэлектрического тока.

В настоящее время широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при высоких температурах. Для работы ТЭГа можно использовать теплоту, получаемую в реакторах при делении ядер тя­желых элементов. Однако в этом случае требуется ре­шить ряд задач, в частности определить влияние эффекта сильного радиационного воздействия на полупроводнико­вые материалы, так как ядерное горючее может нахо­диться в непосредственном контакте с полупроводнико­выми материалами.

Вопрос о целесообразности применения тех или иных источников энергии решается в пользу ТЭГ в тех слу­чаях, когда ведущее значение имеет не КПД, а компакт­ность, надежность, портативность, удобства.

В СССР создан надежный промышленный ТЭГ на ядерном горючем - «Ромашка». Электрическая мощ­ность его равна 500 Вт.

Естественный радиоактивный распад ядер сопровож­дается выделением кинетической энергии частиц и у-квантов. Эта энергия поглощается средой, окружаю­щей радиоактивный изотоп, и превращается в теплоту, которую можно использовать для получения электриче­ской энергии термоэлектрическим способом. Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энергию с помощью термоэлементов, называются радиоизотопными термогенератора­ми. Радиоизотопные термогенераторы надежны в рабо­те, обладают большим сроком службы, компактны и успешно используются в качестве автономных источни­ков энергии для различных установок космического и наземного назначений.

Современные радиоизотопные генераторы имеют КПД, равный 3-5%, и срок службы от 3 месяцев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих ге­нераторов в будущем могут быть значительно улучшены. В настоящее время создаются проекты генераторов мощностью до 10 кВт.

К радиоизотопным термогенераторам проявляют ин­терес различные отрасли науки и техники. Их предпола­гается использовать в виде источника энергии искусст­венного сердца человека, а также для стимулирования работы различных органов в живых организмах. Осо­бенно пригодными оказались радиоизотопные термогене­раторы при освоении космического пространства, где необходимы источники энергии, способные длительно и надежно работать в неблагоприятных условиях воздей­ствия ионизирующих излучений, в радиационных поясах, на поверхности других планет и их спутников.

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Эдисоном в 1883 г. Работая над созданием электри­ческой лампы, Эдисон помещал в колбе две нити. Когда перегорала одна из них, он поворачивал лампу и вклю­чал другую. Во время испытания ламп обнаруживалось, что некоторое количество электричества переходит к хо­лодной нити, т. е. электроны «испаряются» с горячей нити - катода - и движутся к холодной нити - ано­ду - и далее во внешнюю электрическую цепь. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а часть энергии электронов выделяется во внешней элек­трической цепи при протекании электрического тока.

Анод разогревается за счет теплоты, приносимой электронами. Если бы температуры катода и анода бы­ли одинаковыми, то теплота «испарения» электронов с катода в точности была бы равна теплоте «конденсации» электронов на аноде и не было бы преобразования теп­лоты в электрическую энергию. Чем меньше температура анода по сравнению с температурой катода, тем большая часть тепловой энергии превращается в элeктpичeскую. Простейшая схема термоэмиссионного преобразователя энергии показана на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Устройст­во термоэмиссионного преобразователя

энергии: 1 - катод; 2 - анод

В процессе термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов происходит выход свободных электронов. В металлах содержится большое число свободных электронов - около 6×10 21 в 1 см 3 . Внутри металла силы притяжения электрона сбалансированы положительно заряженными ядрами (рис. 3.8). Непосредственно у по­верхности на электроны действуют результирующие силы притяжения, для преодоления которых и выхода за пре­делы металла электрону нужно обладать достаточной кинетической энергией. Увеличение кинетической энер­гии происходит при нагревании металла.

Рис. 3.8. Возникновение результирующих сил, действующих на электрон в металле и вблизи его поверхности

В энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, по­лучаемой в результате ядерной реакции. Схема ядерно­го термоэмиссионного преобразователя приведена на рис. 3.9. КПД первых таких преобразователей был равен примерно 15%; по существующим прогнозам его можно довести до 40%.

Испускание электронов в термоэмиссионных генера­торах вызывается нагреванием катода. При радиоактив­ном распаде электроны (р-лучи) испускаются вследствие естественного свойства элементов. Непосредственно ис­пользуя это свойство, можно осуществить прямое преобразование ядерной энергии в электрическую (рис. 3.10).

Рис. 3.9. Ядерный термоэмиссионный преобразователь: 1 - защита; 2 - охладитель; 3 -анод; 4-вакуум; 5 - катод; б -ядерное горючее

Рис. 3.10. Схема установки прямого преобразования ядерной энергии в электрическую: 1- β -радиоактивный излучатель; 2 - металлическая ампула; 3 - металлический сосуд

В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора.

Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO 4). Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис. 3.11). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент воды.

Наряду с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при дости­жении ими электрода в результате тепло­вого движения.

По мере перехода положительных ионов в раствор увеличивается отрица­тельный потенциал электрода, препятст­вующий этому переходу. При некотором потенциале металла наступает динами­ческое равновесие, т. е. два встречных потока ионов (от электрода в раствор и обратно) будут одинаковы. Этот равно­весный потенциал называется электро­химическим потенциалом металла отно­сительно данного электролита.

Важное техническое приложение галь­ванические элементы нашли в аккумуля­торах, где вещество, расходующееся при отборе тока, предварительно накаплива­ется на электродах при пропускании через них в течение некоторого времени тока от постороннего источника (при зарядке). Применение аккумуляторов в энергетике за­труднено вследствие малого запаса активного химиче­ского горючего, не позволяющего получать непрерывно электроэнергию в больших количествах. Кроме того, для аккумуляторов характерна малая удельная мощ­ность.

Большое внимание во многих странах мира уделяет­ся непосредственному преобразованию химической энер­гии органического топлива в электрическую, осуществ­ляемому в топливных элементах. В этих преобразовате­лях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химикНернст вычислил, что теоретический КПД эле­ктрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.

Рис. 3.11. Рас­положение электрических зарядов, спо­собствующих переходу поло­жительных ио­нов цинка в раствор серно­кислого цинка

На рис. 3.12 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе выполнены пористыми. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны создают отрицатель­ный потенциал и во внешней цепи перемещаются к като­ду. Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоеди­няют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые, присоединяя из во­ды атомы водорода, перехо­дят в раствор в виде ионов гидроксила ОН-. Ионы гидроксила, соединяясь с иона­ми водорода, образуют во­ду. Таким образом, при под­воде водорода и кислорода происходит реакция окисле­ния горючего ионами с одно­временным образованием тока во внешней цепи. Так как напряжение на выводах элемента невелико (порядка 1 В), то элементы последо­вательно соединяют в бата­реи. КПД топливных элементов очень высок. Теоретиче­ски он близок к единице а практически он равен 60- 80%.

Использование водорода в качестве топлива сопря­жено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности приме­нения других более дешевых видов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа. Однако удов­летворительные скорости протекания реакции окисления газа происходят при высоких температурах 800-1200 К, что исключает применение в качестве электролитов во­дяных растворов щелочи. В этом случае можно исполь­зовать твердые электролиты с ионной проводимостью.

В настоящее время широко ведутся работы над соз­данием эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элемен­тов все еще невелика. Она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи электрохимии и конструктивные усовершенствования топлив­ных элементов в недалеком будущем сделают возмож­ным применение топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумны, экономич­ны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.

Рис. 3.12. Схема водородно-кислородного топливного эле­мента:

1 - корпус; 2- катод; 3 - электро­лит; 4 - анод

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 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.

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.

Преобразование энергии тепла

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.

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.

Генерация электричества из химической энергии

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.

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.

Прямое преобразование химической энергии в механическую происходит, например, при сокращении мышц. Подобное преобразование удалось имитировать в лабораторных условиях: была синтезирована пластмассовая пленка, которая в щелочном растворе растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а в соляной кислоте, напротив - сокращается. В экспериментах использовались белковые волокна и растворы солей различных концентраций. Деформированная пленка может совершать полезную механическую работу. Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в разработанных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок.

Названные способы прямого преобразования энергии вряд ли найдут широкое применение для промышленного производства энергии.

Электроэнергия на тепловых электростанциях производится в результате преобразования внутренней энергии топлива по известной схеме:

химическая энергия топлива ->мечтая энергия -> механическая энергия -> электроэнергия.

При прямом преобразовании химической энергии в электрическую исключаются две промежуточные стадии превращения, что приводит к уменьшению рассеяния энергии и, следовательно, к повышению

КПД и в конечном счете к сбережению природных ресурсов. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и ужесточения экологических требований к энергетическим системам и транспорту как основным потребителям энергоресурсов, вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие энергоресурсы с течением времени будет возрастать. Предполагается, что производство, например, автомобилей с электрохимическими источниками энергии, существенно возрастет уже в ближайшем будущем.

Устройства с прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различные аккумуляторы. В разработанных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование энергии. По принципу действия они похожи на электрохимические элементы с той разницей, что электроды топливных элементов служат катализатором и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Так, в водород-кислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны. В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготавливается из пористого никель-керамического сплава с включением никелевых частиц, а катод - из того же сплава с внедрением серебра. Из 1 кг водорода в водород-кислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. При этом образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Казалось бы, двигатели на водороде обладают явными преимуществами. Почему же они не внедряются широко и не приходят на смену бензиновым двигателям? Ответ на этот вопрос включает пока две нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать.

Получают водород разными способами: термохимическим превращением ископаемых углеводородов и биомассы, электрохимическим разложением воды, фотоэлектрохимическим и фотобиологи- ческим превращением воды.

Для хранения водорода в жидком и газообразном состояниях на стационарных и мобильных объектах используются легкие, но прочные стеклопластиковые баллоны. Прошли также испытания баки для автомобилей, в которых водород находится в химически связанном виде в металлогидридах. Разрабатываются надежные системы хранения водорода с помощью углеродных нанотрубок.

Водород применяется в транспорте различного вида: в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, в топливных элементах для питания колесных электродвигателей, в воздушных, водных и подводных судах, в жидкостно-ракетных двигателях.

В 1999 г. фирма BMW выпустила первые модификации автобусов и легковых автомобилей на водороде и построила для них в аэропорту Мюнхена (Германия) водородную автозаправочную станцию. Совсем недавно фирма «Дженерал Моторе» разработала легковой автомобиль с двигателем на водороде. Одна его заправка обеспечивает пробег 800 км. КПД такого двигателя очень высокий - около 85%, что существенно превышает аналогичный показатель для бензинового двигателя. При этом водородный двигатель не дает вредных выбросов: отработанные продукты - водяные пары.

Дляширокоговнедренияводородныхдвигателейнеобходиморешить проблему дешевого производства топлива - водорода. Возможно, в ближайшем будущем ее удастся решить, если водородное топливо, подобно нефти, будет извлекаться из недр Земли. Проведенные недавно исследования наших соотечественников-геологов показали, что в результате электромагнитного зондирования на глубине 5-6 км наблюдается аномальное явление, которое, как предполагается, связано с наличием бескислородных сплавов и соединений на основе кремния, магния и железа. Если такое предположение подтвердится при глубинном бурении, то откроется возможность качать горячий водород прямо из Земли, ведь при взаимодействии кремния и магния с водой выделяются водород и тепло. Для этого достаточно пробурить две скважины - в одну закачивать воду, а из другой извлекать нагретый водород. Это позволит в большом объеме производить дешевые энергоресурсы - водород и сопутствующее тепло, и тогда водородная автозаправка станет обычным и привычным делом.

В последнее время все больше внимания уделяется не только автомобилю с водородным двигателем, но и электромобилю. Не так давно фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Он очень быстро набирает скорость - за 20 с до 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет немалое расстояние - 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая - около 350 °С, что требует дополнительных мер безопасности.

Первые электромобили появились не сегодня, не вчера, а гораздо раньше. Например, в США к началу XX в. выпускалось 38% автомобилей с электрическим приводом и питанием от батарей. К 1912 г. американские компании ежегодно производили примерно 6000 электромобилей. Длина их пробега без подзарядки была не так уж мала и для нашего времени - 80 км.

Разрабатываются и легкие электротранспортные средства: электромопеды, электророллеры, мини-электромобили на никель- металлогидридных аккумуляторах, обладающих в 2-3 раза большей удельной энергоемкостью, чем свинцово-кислотные.

В последние годы большое внимание уделяется разработке разных видов топливных элементов, которые отличаются составом электродов, электролита и конструкцией. Например, в щелочных топливных элементах электролитом служит гидрооксид калия. В топливных элементах с фосфорной кислотой анод и катод выполнены из мелкодисперсного платинового катализатора, напыленного на углеродную основу, а электролит представляет собой матрицу из карбида кремния, содержащую фосфорную кислоту. Рабочая температура таких элементов равна 150-220 °С. Применяются они в стационарных условиях (отели, офисы) и на разных автомобилях.

Топливные элементы с расплавом углеродной соли могут работать на водороде, оксиде углерода, природном газе, дизельном топливе. Их КПД при выработке электроэнергии и тепла достигает 35%.

Высокой стабильностью работы и надежностью отличаются твердооксидные топливные элементы, производство которых было налажено в 2003 г. Они могут потреблять разные виды топлива. Их мощность - до 250 кВт и КПД - 85%. Твердооксидные топливные элементы содержат твердый керамический электролит из тонкого слоя оксида циркония, лантан-манганитовый катод и никель- циркониевый анод. Топливные элементы такого вида эффективно работают в гибридных энергетических системах.

Создаются топливно-гальванические элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом из воздуха, анодом служит алюминиевая пластина, а электролитом - водный раствор поваренной соли. Электрическая подзарядка такому элементу не нужна, поскольку энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. КПД такого процесса - около 80%, и при окислении в условиях обычной температуры 1 кг алюминия выделяет примерно столько энергии, сколько 1 кг каменного угля при сгорании на воздухе при очень высокой температуре.

Достоинств у таких источников энергии много: простота конструкции, полная безопасность эксплуатации и хорошие удельные энергетические характеристики. Недостаток практически один: дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его производства. Такой недостаток можно свести к минимуму с помощью внедрения новой технологии производства алюминия. При ее промышленном освоении алюминий и его сплавы станут намного дешевле.

Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. Эти батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных их размерах получить сравнительно большую емкость, а также увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах. Срок их службы - около 10 лет, что гораздо больше, чем у обычных батарей.

При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой электроэнергии.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

На тему: Способы преобразований различных видов энергий в энергетике

Студент: Мырза А.

Преподаватель: Джумартбаева Н.

Кентау-2015

Введение

1. Способы преобразование различных видов энергий

1.1 Виды преобразования электрической энергии

1.2 Воздействие различных источников энергии на окружающую среду

2. Способы получение электрический энергий

2.1 Электростанции

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Энергия, от греческого слова energeia - деятельность или действие, - общая мера различных видов движения и взаимодействия. В естествознании различают следующие виды энергии: механическую, тепловую, электрическую, химическую, магнитную, электромагнитную, ядерную, гравитационную. Современная наука не исключает существование и других видов энергии. Энергия измеряется в Джоулях (Дж). Для измерения тепловой энергии используют калории, 1 кал=4.18 Дж, электрическую энергию измеряют в кВт*час=3.6*106Дж, механическая энергия измеряется в кг*м, 1кг*м=9.8 Дж. Кинетическая энергия - результат изменения состояния движения материальных тел. Потенциальная энергия - результат изменения положения частей данной системы. Механическая энергия - это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу. ток переменный напряжение

Электроэнергия энергия - одна из совершенных видов энергии. Ее широкое применение обусловлено следующими факторами: Получение в больших количествах вблизи месторождения ресурсов и водных источников;·Возможность транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями; Способность трансформации в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую; Отсутствие загрязнения окружающей среды; Внедрением на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

В последнее время, в связи с экологическими проблемами, дефицитом ископаемого топлива и его неравномерным географическим распределением, становится целесообразным вырабатывать электроэнергию, используя ветроэнергетические установки, солнечные батареи, малые газогенераторы. Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива. Способы преобразования энергии: Человечество стремилось с начала своей истории овладеть энергией в своих интересах. Этапы "овладения" энергией: огонь, мускульная сила животных, сила ветра, воды, энергия пара электроэнергия ядерная энергия. Во Вселенной происходят процессы преобразования энергии из одного вида в другой в огромных масштабах. Человечество находится в самом начале пути понимания этих процессов. Закон сохранения энергии - энергия не создается и не уничтожается, она переходит из одного вида в другой. Различают энергию упорядоченного движения (свободную - механическую, химическую, электрическую, электромагнитную, ядерную) и энергию хаотического движения - теплоту. В настоящее время нет способов непосредственного превращения ядерной энергии в электрическую и механическую, нужно вначале пройти стадию превращения энергии в тепловую, а затем в механическую и электрическую. Преобразование первичной энергии во вторичную осуществляется на станциях:

· На тепловой электрической станции ТЭС - тепловая;

· Гидроэлектростанции ГЭС - механическая (энергия движения воды);

· Гидроаккумулирующая станция ГАЭС - механическая (энергия движения предварительно наполненной в искусственном водоеме воды);

· Атомная электростанция АЭС - атомная (энергия ядерного топлива);

· Приливной электростанции ПЭС - приливов. В РБ более 95% энергии вырабатывается на ТЭС, которые по назначению делятся на два типа:

1. Конденсационные тепловые электростанции КЭС, предназначены для выработки только электрической энергии;

2. Теплоэлектроцентрали ТЭЦ, на которых осуществляется комбинированное производство электрической и тепловой энергии. Способы получения и преобразования энергии. Механическая энергия преобразуется в тепловую - трением, в химическую - путем разрушения структуры вещества, сжатия, в электрическую - путем изменения электромагнитного поля генератора. Тепловая энергия преобразуется в химическую, в кинетическую энергию движения, а эта - в механическую (турбина), в электрическую (термо э.д.с.) Химическая энергия может быть преобразована в механическую (взрыв), в тепловую (тепло реакции), в электрическую (батарейки).

1 . Способы преобразование различных видов энергий

1.1 Виды преобразования электрической энергии

Вопросами, связанными с преобразованием электрической энергии из одного ее вида в другой, занимается область науки и техники, получившая название преобразовательной техники (или энергетической электроники). К числу основных видов преобразования электрической энергии относятся:

1. Выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические установки, линии передачи постоянного тока, электролизные ванны, заряжаемые аккумуляторные батареи, радиотехническая аппаратура и т.д.), другие же потребители имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе (регулируемые электродвигатели).

2. Инвертирование тока - преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (электромашинные генераторы постоянного тока, аккумуляторные батареи и другие химические источники тока, солнечные батареи, магнитогидродинамические генераторы и т.д.), а для потребителей нужна энергия переменного тока. В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз).

3. Преобразование частоты - преобразование переменного тока одной частоты (обычно 50 Гц) в переменный ток другой частоты. Такое преобразование необходимо для питания регулируемых электроприводов переменного тока, установок индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковых устройств и т. д.

4. Преобразование числа фаз. В ряде случаев встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный (например, для питания дуговых электропечей) или, наоборот, однофазного в трехфазный. Так, на электрифицированном транспорте используется контактная сеть однофазного переменного тока, а на электровозах используются вспомогательные машины трехфазного тока. В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное.

3. Преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (преобразование постоянного напряжения). Подобное преобразование необходимо, например, на ряде подвижных объектов, где источником электроэнергии является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а для питания потребителей требуется более высокое постоянное напряжение (например, источники питания радиотехнической или электронной аппаратуры).

Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляют с использованием силовых ключевых элементов. Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.

Преобразователи на тиристорах принято делить на две группы: ведомые и автономные. В первых периодический переход тока с одного вентиля на другой (коммутация тока) осуществляется под действием переменного напряжения какого-либо внешнего источника. Если таким источником является сеть переменного тока, говорят о преобразователе, ведомом сетью. К таким преобразователям относятся: выпрямители, ведомые сетью (зависимые) инверторы, непосредственные преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, преобразователи переменного напряжения. Если внешним источником напряжения, обеспечивающим коммутацию, является машина переменного тока (например, синхронный генератор или двигатель), преобразователь называют ведомым машиной.

Автономные преобразователи выполняют функции преобразования формы или регулирования напряжения (тока) путем изменения состояния управляемых силовых ключевых элементов под действием сигналов управления. К автономным преобразователям относятся импульсные регуляторы постоянного и переменного напряжения, некоторые виды инверторов напряжения.

Традиционно силовые вентильные преобразователи использовались для получения выпрямленного напряжения промышленных сетей частотой 50 Гц и для получения переменного напряжения (однофазного или трехфазного) при питании от источника постоянного напряжения. Для этих преобразователей (выпрямителей и инверторов) используют диоды и тиристоры, коммутируемые с частотой сети. Форма выходного напряжения и тока определяется линейной частью схемы и фазовой модуляцией угла регулирования.

Выпрямление и инвертирование продолжают оставаться ведущим способом преобразования электрической энергии, однако способы преобразования претерпели значительные изменения и их разновидности стали гораздо многочисленнее.

Появление новых типов силовых полупроводниковых вентилей, близких к идеальному управляемому ключевому элементу, существенно изменило подход к построению вентильных преобразователей. Получившие распространение в последние годы запираемые тиристоры (GTO - gate turn off thirystor) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ - IGBT - insolated gate bipolar transistor) успешно перекрывают диапазон мощностей до сотен и тысяч киловатт, их динамические свойства непрерывно совершенствуются, а стоимость с ростом выпуска снижается. Поэтому они успешно вытеснили обычные тиристоры с узлами принудительной коммутации. Области применения импульсных преобразователей напряжения с новыми классами приборов также расширились. Быстро развиваются мощные импульсные регуляторы как для повышения, так и для понижения постоянного напряжения питания; импульсные преобразователи часто используются в системах утилизации энергии возобновляемых источников (ветер, солнечная радиация).

Большие вложения делаются в производство энергии с использованием энергосберегающих технологий, когда возобновляемые первичные источники используются либо для возврата энергии в сеть, либо для подзарядки накопителя (аккумулятора) в установках с повышенной надежностью энергоснабжения. Появляются новые классы преобразователей для электроприводов с вентильно-индукторными двигателями (SRD - switched reluctanse drive). Эти преобразователи представляют собой многоканальные (число каналов обычно от трех до восьми) коммутаторы, обеспечивающие поочередно подключение обмоток статора двигателя с регулируемыми частотой и напряжением. Импульсные преобразователи получают широкое распространение в источниках питания бытовой аппаратуры, зарядных устройствах, сварочных агрегатах и целом ряде новых применений (пускорегулирующие устройства осветительных установок, электрофильтры и пр.).

Помимо совершенствования элементной базы силовых преобразовательных цепей на стратегию решения схемотехнических задач оказало огромное влияние развитие микроконтроллерных устройств и цифровых методов обработки информации.

1.2 Воздействие различных источни ков энергии на окружающую среду

Сжигание топлива - не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени "ответственны" за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО), около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности. В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем. Можно считать, что тепловая энергетика оказывает отрицательное влияние практически на все элементы среды, а также на человека, другие организмы и их сообщества. Вместе с тем влияние энергетики на среду и ее обитателей в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф. Хотя в настоящее время значительная доля электроэнергии производится за счет относительно чистых видов топлива (газ, нефть), однако закономерной является тенденция уменьшения их доли. По имеющимся прогнозам, эти энергоносители потеряют свое ведущее значение уже в первой четверти XXI столетия. Здесь уместно вспомнить высказывание Д.И. Менделеева о недопустимости использования нефти как топлива: "нефть не топливо - топить можно и ассигнациями". Не исключена вероятность существенного увеличения в мировом энергобалансе использования угля. По имеющимся расчетам, запасы углей таковы, что они могут обеспечивать мировые потребности в энергии в течение 200-300 лет Возможная добыча углей, с учетом разведанных и прогнозных запасов, оценивается более чем в 7 триллионов тонн. При этом более 1/3 мировых запасов углей находится на территории России. Поэтому закономерно ожидать увеличения доли углей или продуктов их переработки (например, газа) в получении энергии, а, следовательно, и в загрязнении среды. Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата закисного железа и гипса. Имеющиеся способы улавливания серы при сжигании топлива далеко не всегда используются из-за сложности и дороговизны. Поэтому значительное количество ее поступает и, по-видимому, будет поступать в ближайшей перспективе в окружающую среду. Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС - золой и шлаками. Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. т. мелкодисперсных аэрозолей.

Последние способны заметно изменять баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков, а попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания. ТЭС - существенный источник подогретых вод, которые используются здесь как охлаждающий агент. Эти воды нередко попадают в реки и другие водоемы, обусловливая их тепловое загрязнение и сопутствующие ему цепные природные реакции (размножение водорослей, потерю кислорода, гибель гидробионтов, превращение типично водных экосистем в болотные и т. п.).

Ядерная энергетика до недавнего времени рассматривалась как наиболее перспективная. Это связано как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и со щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится также возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. Достаточно отметить, что 0,5 кг ядерного топлива позволяет получать, столько же энергии, сколько сжигание 1000 тонн каменного угля. До середины 80-х годов человечество в ядерной энергетике видело один из выходов из энергетического тупика. Только за 20 лет (с середины 60-х до середины 80-х годов) мировая доля энергетики, получаемой на АЭС, возросла практически с нулевых значений до 15-17%, а в ряде стран она стала превалирующей. Ни один другой вид энергетики не имел таких темпов роста. До недавнего времени основные экологические проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации. Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС. Некоторые параметры воздействия АЭС и ТЭС на среду представлены в таблице 8.3. При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны. В среднем они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности. К маю 1986 г. 400 энергоблоков, работавших в мире и дававших более 17% электроэнергии, увеличили природный фон радиоактивности не более чем на 0,02%. До Чернобыльской катастрофы в нашей стране никакая отрасль производства не имела меньшего уровня производственного травматизма, чем АЭС. За 30 лет до трагедии при авариях, и то по нерадиационным причинам, погибло 17 человек. После 1986 г. главную экологическую опасность АЭС стали связывать с возможностью аварий. Хотя вероятность их на современных АЭС и невелика, но она и не исключается. К наиболее крупным авариям такого плана относится случившаяся на четвертом блоке Чернобыльская АЭС. Неизбежный результат работы АЭС - тепловое загрязнение вод. На единицу получаемой энергии здесь оно в 2-2,5 раза больше, чем на ТЭС, где значительно больше тепла отводится в атмосферу. Выработка 1 млн. кВт электроэнергии на ТЭС дает 1,5 км 3 подогретых вод, на АЭС такой же мощности объем подогретых вод достигает 3-3,5 км 3. Следствием больших потерь тепла на АЭС является более низкий коэффициент их полезного действия по сравнению с ТЭС. На последних он равен 35-40%, а на АЭС - только 30-31 %. В целом можно назвать следующие воздействия АЭС на среду: - разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т. п.) в местах добычи руд (особенно при открытом способе); - изъятие земель под строительство самих АЭС. Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800-900 га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100-120 м и высотой, равной 40-этажному зданию; - изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и другие источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов; - не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях. Электромагнитные (ЭМ) поля токов промышленной частоты, наиболее опасные места - у трансформаторных подстанций, под линиями электропередач высокого напряжения. Интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени частоты колебаний электромагнитного поля. Действие ЭМ поля вызывает нарушение функций нервной и сердечно-сосудистой систем, изменяет кровяное давление.

2. Способы получение электрический энергий

2.1 Электростанции

Электростанция - электрическая станция, совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории. Большинство электростанций, будь то гидроэлектростанции, тепловые (АЭС, ТЭС и прочие) или ветроэлектростанции, используют для своей работы энергию вращения вала генератора.

1. Атомная электростанция

2. Тепловая электростанция

3. Волновая электростанция

4. Геотермальная электростанция

5. Приливная электростанция

6. Гидроаккумилирующая электростанция

Атомная электростанция

Атомная электроста нция (АЭС) - ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используются ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений с необходимыми работниками (персоналом), предназначенная для производства электрической энергии. Во второй половине 40-х гг., ещё до окончания работ по созданию первой советской атомной бомбы (её испытание состоялось 29 августа 1949 года), советские учёные приступили к разработке первых проектов мирного использования атомной энергии, генеральным направлением которого сразу же стала электроэнергетика. В 1948 г. по предложению И.В. Курчатова и в соответствии с заданием партии и правительства начались первые работы по практическому применению энергии атома для получения электроэнергии. В мае 1950 года близ посёлка Обнинское Калужской области начались работы по строительству первой в мире АЭС.В 1950 году в США был создан реактор EBR-I недалеко от города Арко, штат Айдахо. Данный реактор 20 декабря 1951 года в ходе эксперимента выработал пригодное для использования электричество мощностью 800 Вт. После этого мощность реактора была повышена для обеспечения электроэнергией станции, на которой находился реактор. Это даёт право называть данную станцией первой экспериментальной АЭС, но при этом она не была подключена к энергетической сети.

Тепловая электростанция

Тепловая электростанция -- электростанция, вырабатывающая электрическую энергию за счет преобразования химической энергии топлива в механическую энергию вращения вала электрогенератора.

(ТЭС), энергетическая установка, на которой в результате сжигания органического топлива получают тепловую энергию, преобразуемую затем в электрическую. ТЭС основной тип электрических станций, доля вырабатываемой ими электроэнергии составляет в промышленно развитых странах 70-80 % (в России в 2000 г. ок. 67 %). Тепловая энергия на ТЭС используется для нагрева воды и получения пара (на паротурбинных электростанциях) или для получения горячих газов (на газотурбинных). Для получения тепла органическое топливо сжигают в котло-агрегатах ТЭС.

Волновая электростанция

Волновая электростанция - электростанция, расположенная в водной среде, целью которой является получение электроэнергии из кинетической энергии волн. Потенциал волн оценивается в более 2 млн МВт. Места с наибольшим потенциалом для волновой энергетики - западное побережье Европы, северное побережье Великобритании и Тихоокеанское побережье Северной, Южной Америки, Австралии и Новой Зеландии, а также побережье Южной Африки.

Первая волновая электростанция расположена в районе Агусадора, Португалия на расстоянии 5 километров от берега. Была официально открыта 23 сентября 2008 года португальским министром экономики. Мощность данной электростанции составляет 2,25 МВт, этого хватает для обеспечения электроэнергией примерно 1600 домов. Первоначально предполагалось, что станция войдёт в эксплуатацию в 2006 году, но развёртывание электростанции произошло на 2 года позже планируемого срока. Проект электростанции принадлежит шотландской компании Pelamis Wave Power, которая в 2005 году заключила контракт с португальской энергетической компанией Enersis на строительство волновой электростанции в Португалии. Стоимость контракта составила 8 миллионов евро.

Геотермальная электростанция

Геотермамльная электростамнция (ГеоЭС или ГеоТЭС) - вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров).

Геотермальная энергия - это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Геотермический градиент в скважине возрастает на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира. По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6 650 °C. Скорость остывания Земли примерно равна 300--350 °C в миллиард лет. Земля выделяет 42·1012 Вт тепла, из которых 2 % поглощается в коре и 98 % - в мантии и ядре. Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое выделяется слишком глубоко, но и 840 000 000 000 Вт (2 %) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время. Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Приливная электростанция

Приливная электростанция (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.

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 гидроаккумулирующая электростанция. Существует мнение, что работа приливных электростанций тормозит вращение Земли, что может привести к негативным экологическим последствиям. Однако ввиду колоссальной массы Земли кинетическая энергия ее вращения (~1029 Дж) настолько велика, что работа приливных станций суммарной мощностью 1000 ГВт будет увеличивать длительность суток лишь на ~10?14 секунды в год, что на 9 порядков меньше естественного приливного торможения(~2·10?5 с в год).

Гидроаккумилирующая электростанция

ГАЭС использует в своей работе либо комплекс генераторов и насосов, либо обратимые гидроэлектроагрегаты, которые способны работать как в режиме генераторов, так и в режиме насосов. Во время ночного провала энергопотребления ГАЭС получает из энергосети дешёвую электроэнергию и расходует её на перекачку воды в верхний бьеф (насосный режим). Во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС сбрасывает воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывает при этом дорогую пиковую электроэнергию, которую отдаёт в энергосеть (генераторный режим).В крупных энергосистемах большую долю могут составлять мощности тепловых и атомных электростанций, которые не могут быстро снижать выработку электроэнергии при ночном снижении энергопотребления или же делают это с большими потерями. Этот факт приводит к установлению существенно большей коммерческой стоимости пиковой электроэнергии в энергосистеме, по сравнению со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой в ночной период. В таких условиях использование ГАЭС экономически эффективно и повышает как эффективность использования других мощностей (в том числе и транспортных), так и надёжность энергоснабжения.

Заключение

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц. Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток частотой 50 Гц непригоден.

Вопросами, связанными с преобразованием электрической энергии из одного ее вида в другой, занимается область науки и техники, получившая название преобразовательной техники (или энергетической электроники).

Энергия, от греческого слова energeia - деятельность или действие, - общая мера различных видов движения и взаимодействия. В естествознании различают следующие виды энергии: механическую, тепловую, электрическую, химическую, магнитную, электромагнитную, ядерную, гравитационную. Современная наука не исключает существование и других видов энергии. Энергия измеряется в Джоулях (Дж).

Список использованной л итературы

1. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2/под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. -5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение-1, 2001. -912 с.: ил.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т. 1. - 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001. -920 с.: ил.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т. 2. - 8-е изд., перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001. -920 с.: ил.

4. Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Детали машин. Курсовое проектирование: Учеб. Пособие для машиностроит. спец. техникумов. - М.: Высш. Шк., 1984. -336 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Расчёт параметров цепи постоянного тока методом уравнений Кирхгофа, контурных токов и методом узловых напряжений. Расчёт баланса мощностей. Расчёт параметров цепи переменного тока методом комплексных амплитуд. Преобразование соединения сопротивлений.

курсовая работа , добавлен 14.04.2015


Преобразование переменного тока в постоянный. Способы регулирования напряжения выпрямителей. Блочная схема тиристорного преобразователя серии "КЕМТОР". Определение параметров согласующего трансформатора. Расчет внешних характеристик преобразователя.

курсовая работа , добавлен 12.03.2013


Расчет линейных электрических цепей постоянного тока, определение токов во всех ветвях методов контурных токов, наложения, свертывания. Нелинейные электрические цепи постоянного тока. Анализ электрического состояния линейных цепей переменного тока.

курсовая работа , добавлен 10.05.2013


Особенности управления электродвигателями переменного тока. Описание преобразователя частоты с промежуточным звеном постоянного тока на основе автономного инвертора напряжения. Динамические характеристики САУ переменного тока, анализ устойчивости.

курсовая работа , добавлен 14.12.2010


Исследование неразветвленной и разветвленной электрических цепей постоянного тока. Расчет нелинейных цепей постоянного тока. Исследование работы линии электропередачи постоянного тока. Цепь переменного тока с последовательным соединением сопротивлений.

методичка , добавлен 22.12.2009


Анализ электрических цепей постоянного тока. Расчёт токов с помощью законов Кирхгофа. Расчёт токов методом контурных токов. Расчёт токов методом узлового напряжения. Исходная таблица расчётов токов. Потенциальная диаграмма для контура с двумя ЭДС.

курсовая работа , добавлен 02.10.2008


Источник питания как устройство, предназначенное для снабжения аппаратуры электрической энергией. Преобразование переменного напряжения промышленной частоты в пульсирующее постоянное напряжение с помощью выпрямителей. Стабилизаторы постоянного напряжения.

реферат , добавлен 08.02.2013


История высоковольтных линий электропередач. Принцип работы трансформатора - устройства для изменения величины напряжения. Основные методы преобразования больших мощностей из постоянного тока в переменный. Объединения элетрической сети переменного тока.

отчет по практике , добавлен 19.11.2015


Электронные устройства для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Классификация выпрямителей, их основные параметры. Работа однофазной мостовой схемы выпрямления. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя.

реферат , добавлен 19.11.2011


Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. Типы обмоток якоря. Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Обратимость машин постоянного тока. Двигатель параллельного, независимого, последовательного и смешанного возбуждения.