A principal fonte de energia é onde ocorrem as transformações de energia. Tipos de conversão de energia elétrica

A conversão de energia termodinâmica, com eficiência próxima de 100%, é real

V. Mikhailyuk

No processo de conversão da energia química do combustível em energia mecânica das máquinas, ocorre o aquecimento do fluido de trabalho (RT), ou seja, o bombeamento das moléculas de RT. energia cinética, é produzida para aumentar a pressão RT. em cilindros de trabalho e câmaras de combustão. Apenas a diferença de pressão dividida pelo pistão (em outros tipos de motores entre a câmara de combustão e o ponto de exaustão do ar de exaustão) leva ao aparecimento de uma pressão resultante direcionada para baixa pressão. As diferenças de temperatura não são uma condição necessária para o funcionamento do motor. É bem possível que o motor opere em condições onde a temperatura da atmosfera circundante seja superior à temperatura do cilindro de trabalho. Não há troca de calor durante o ciclo de trabalho. O próprio conceito de calor é um legado da teoria calórica e não corresponde à teoria molecular da fase gasosa do estado da matéria. Nunca houve refrigeradores no ciclo operacional. O refrigerador é uma máquina independente que serve para regenerar e preparar o fluido de trabalho. Prepare um suprimento do fluido de trabalho obtido com sua ajuda e fique à vontade para desligá-lo, a máquina funcionará. Mas os ressuscitadores do “segundo princípio” afirmam que a atmosfera mais fria desempenha o papel de um refrigerador. Para verificar o absurdo dessa afirmação, direcione o escapamento de um motor (você pode ter seu próprio carro), sequencialmente, para a chama de uma fogueira e para um frasco Dewar, sobre a superfície do nitrogênio líquido. Garantimos que não houvesse dependência da temperatura e nem necessidade de geladeira. Mas, se fechar o canal de saída (exaustão), devido ao desaparecimento da queda de pressão, ocorrerá uma parada quase instantânea do motor, levando a consequências semelhantes; O aquecimento RT é um método de remoção de energia obtida como resultado de uma reação química (nuclear) do combustível, a fim de obter alta pressão RT, e posteriormente convertê-la em energia mecânica. Aumentamos a temperatura RT utilizando energia do combustível para aumentar sua pressão ao nível padrão. Exatamente. A uma temperatura de RT 8000K atingimos uma pressão nos cilindros de trabalho de 25 MPa. Podemos obter uma temperatura ambiente de 8.000 K mesmo a uma pressão de 0,1 MPa, mas as turbinas não se moverão. Onde está a transferência de calor, a base do raciocínio de Carnot, pelo qual concluiu que as transformações termodinâmicas com eficiência são impossíveis. perto de 100%? Onde estão os frigoríficos, sem os quais a conversão de energia é impossível? Carnot seguiu o caminho dos filósofos medievais, usando apenas a palavra calor em vez de “calórico”. Todo o resto é igual ao deles: reservatórios térmicos, fluxos de calor…. O estado energético das moléculas que constituem um objeto físico é determinado pela energia cinética dos movimentos translacionais, rotacionais e vibracionais dessas moléculas. Uma medida quantitativa da energia cinética média das moléculas que constituem um objeto é a sua temperatura. Determina exclusivamente o estado energético dos objetos representados nas fases líquida e sólida da matéria, possuindo volume constante. No estado gasoso, um objeto ocupa o volume de espaço fornecido. Portanto, o estado energético de um objeto não pode ser determinado inequivocamente apenas pela temperatura. Neste caso, a energia interna total do objeto, em termos quantitativos, é determinada principalmente pela densidade de energia ou energia específica, ou seja, a quantidade de energia interna por unidade de volume. A temperatura, neste caso, adquire propriedades de característica qualitativa.

Considere a equação de Clapeyron-Mendeleev:

PV = m/μ R T, escreva na forma: i/2 PV = i/2 m/μ RT;

o lado direito desta equação é a energia interna de um gás ideal W;

Portanto W = i/2 PV, ou W/V =i/2 P,

mas W/V nada mais é do que a densidade de energia interna do gás, que denotamos por W0, então:

W0 = i/2 P, ou seja, A densidade de energia interna de um gás é igual à pressão do gás multiplicada pela metade do número de graus de liberdade do gás i, J/m3 (observe que quando abreviamos por m obtemos n/m2 ou pascal). Não pode ser medido diretamente, mas é facilmente calculado através da pressão do gás. É por isso que o fator decisivo, ou melhor, o único que determina a intensidade energética do volume de trabalho é a pressão do gás.

Para todos os motores térmicos atualmente conhecidos, desde locomotivas a foguetes (iremos combiná-los sob o nome de conversores termodinâmicos de 1º tipo), é típico que o fluido de trabalho passe pelos seguintes 3 estágios durante o ciclo de trabalho:

bombeamento energia interna ou aquecê-la, a fim de aumentar a densidade de energia, ou seja, aumento da pressão.

Expansão adiabática de r.t. com a transformação da energia interna R.T. em energia mecânica de máquinas. Um pistão (ou outro corpo de trabalho) movendo-se do lado da pressão predominante, aumentando sua energia cinética a cada colisão predominante de moléculas RT, do lado do cilindro de trabalho, é um sinal de que a transformação está ocorrendo. Durante essas colisões com o pistão, as moléculas H.T. dê a ele parte da velocidade, impulso, energia, como resultado eles e tudo que funciona R.T., naturalmente, são resfriados. Diminuição da temperatura RT e a diminuição correspondente em sua energia interna é um sinal de realização de trabalho mecânico na mesma quantidade.

A descarga do RT gasto é realizada no momento calculado pelo projetista do motor, quando, em sua opinião, novas conversões de energia tornam-se desvantajosas para este projeto. Até este ponto, as perdas de energia de todos os motores conhecidos estão próximas de 0, ou seja, eficiência cerca de 100%. Somente no momento da descarga do H.R.T. gasto é utilizada junto com ele energia igual à diferença da energia do H.R.T. e sua energia antes do início do aquecimento.

Sem geladeiras. Para repetir os ciclos, novas porções de RT são tomadas e as mesmas ações são realizadas com elas. E somente se decidirmos que seria mais racional regenerar o mercúrio gasto com o propósito de reutilizá-lo, é que descarregamos o rt gasto. Na geladeira. O refrigerador é uma máquina separada, não diretamente relacionada ao funcionamento do motor; sua função é preparar a temperatura do ar. para reutilização. Como vemos, a lógica da pesquisa de Carnot baseia-se no conceito medieval da natureza dos fenômenos, o conceito de calor (calórico). Portanto, o resultado é que ele nem entendeu que o aquecimento é feito para aumentar a pressão. A conclusão sobre a impossibilidade de converter completamente a energia em trabalho útil não é comprovada e é absurda, mas é esta proibição que é o rótulo do “inventor de uma máquina de movimento perpétuo”, ainda que do segundo tipo. Ele atrasou o progresso tecnológico da humanidade por muitos anos. Assumimos com entusiasmo a solução para o problema da fusão termonuclear controlada, porque a intensidade energética do combustível termonuclear é 5 vezes maior que a do combustível nuclear, com a mesma massa. Mas ignorámos o facto de o combustível nuclear, que consome mais de um milhão de vezes mais energia do que o melhor combustível químico, não ter vencido a competição, sem uma única tentativa de compreender as razões deste caso nada comum. Nas usinas nucleares ultramodernas, 60% da energia de decomposição do combustível é utilizada e apenas 40% é convertida em eletricidade, ou seja, como pretendido. Seguindo o caminho errado indicado por Carnot, os otimistas olham com esperança e carinho para os gêiseres e outras fontes termais como alternativa às usinas termelétricas (é claro, há uma diferença de temperatura legada por Carnot). Mas se medissem a temperatura do vapor que sai das turbinas da chamada geladeira... Acho que começaria uma busca por pragas. As centrais nucleares evocam uma sensação de perigo potencial entre os cidadãos, apesar de não serem possíveis uma explosão nuclear. O perigo real é que em casos de acidentes técnicos são possíveis vazamentos de substâncias radioativas, explosão térmica e, em casos de liberação de produtos de decomposição na atmosfera, isso pode levar à contaminação radioativa da área. Daí a conclusão: as usinas nucleares devem estar localizadas no subsolo, em formações rochosas. Mas isso é dificultado pela necessidade de tanques de resfriamento, que absorvem 60% da energia do combustível queimado.

A essência do que foi dito acima é a negação da 2ª lei da termodinâmica, a inaceitabilidade de suas disposições e a afirmação de outras leis que ocorrem durante a transformação termodinâmica da energia. O segundo começo é inaceitável, porque nas afirmações do 2º início, é utilizado o conceito de “calor”, o que vai contra o modelo geralmente aceito da estrutura molecular das substâncias. O estado energético de um objeto gasoso é determinado por dois parâmetros: temperatura e pressão (densidade de energia). Os portadores dessa energia são o conjunto de moléculas que compõem o objeto.

A percepção da energia interna como um objeto independente, e não como parâmetros das partículas que a compõem, levou à criação de teorias errôneas com o “calórico” e seu análogo “calor”. Por sua vez, o “calor”, como objeto, exigia uma regra sobre possíveis direções de movimento. Para quem vê o mundo como molecular, nenhuma explicação adicional é necessária sobre para onde tenderá o excesso de energia cinética das moléculas nos casos de sua distribuição desigual no espaço.

O segundo começo é inaceitável, porque declara a impossibilidade de converter completamente “calor” em trabalho devido à presença obrigatória de um refrigerador e às inevitáveis ​​perdas nele. Mas experimentos elementares negam a necessidade deles em todas as fases do ciclo de trabalho. A integralidade da conversão da energia combustível (química, nuclear) em energia mecânica das máquinas não tem limitações objetivas e depende apenas do grau de perfeição do mecanismo de conversão..

A contradição mais paradoxal do segundo princípio é que Carnot, tentando fundamentar a impossibilidade da transformação completa do calor em energia mecânica, apresentou sua famosa fórmula η = (Tn - To) / Tn, que prova diretamente o contrário.

Para fazer isso, consideramos a temperatura do aquecedor igual a Tn = 8000K (5270C),

e a temperatura do refrigerador é igual a T0 = 40K (temperatura do hélio líquido).

Então obtemos η = 0,995.

Resfriamento com nitrogênio líquido mais facilmente disponível,

obtemos η = (800 – 77)/800 = 0,904.

No segundo caso, a eficiência fica um pouco mais longe de 100%, mas é preciso admitir que 90,4% seria uma sensação. Portanto, é Carnot o “pai de uma máquina de movimento perpétuo de segundo tipo”. Mas você não deve se iludir. Você nunca obterá esse resultado, porque o segundo começo é um emaranhado de erros contínuos. Para ser sincero, muito antes desenvolvi uma teoria de um conversor termodinâmico de 2º tipo, com eficiência. conversões próximas de 100%, baseadas nos princípios da teoria cinética molecular dos gases e da física moderna. Mas era um filho ilegítimo. Durante muito tempo tentei em vão provar que o segundo princípio é legal apenas para “tecnologia de locomotivas”, até que descobri uma razão que me chocou…. Descobriu-se que o segundo princípio se baseia em suposições e declarações errôneas, conforme declarado acima. Carnot ainda substituiu a análise do funcionamento do motor pela análise do movimento do pistão no cilindro sob a influência do vapor aquecido, e depois o retornou à sua posição original resfriando o vapor no cilindro, o que até contradiz ele mesmo. Esses motores nunca existiram. Rt. não pode ser resfriado externamente, no ciclo operacional.

Bibliografia

Para a elaboração deste trabalho foram utilizados materiais do site http://sciteclibrary.ru/

O consumo mundial de energia em todas as suas formas, incluindo a electricidade, depende directamente do tamanho da população. A população da Terra tem crescido de forma especialmente significativa nos últimos tempos e, no ano 2000, de acordo com as previsões actuais, ascenderá a aproximadamente 6 mil milhões de pessoas. Dinâmica de crescimento populacional na segunda metade do século XX. de tal forma que em 2000 a população mais do que duplicou em comparação com 1950 (Tabela 3.1). Uma grande parte do crescimento populacional ocorre nos países em desenvolvimento. Juntamente com o aumento do consumo total de energia no mundo, a percentagem de energia por pessoa também está a crescer (Tabela 3.1).

As enormes necessidades energéticas representam um desafio para a humanidade desenvolver novas formas de obtê-la. Atualmente, já não é possível contentar-se com os métodos tradicionais existentes de conversão de vários tipos de energia em eletricidade devido às reservas limitadas de combustível orgânico, que é desperdiçado quando queimado em fornos. A eficiência das modernas usinas termelétricas não ultrapassa 40%. Isto significa que grande parte do calor gerado é perdido e causa “poluição térmica” prejudicial aos corpos de água próximos. Além disso, na queima do combustível, a substância envolvida no processo de conversão de energia é mal aproveitada. A eficiência do uso da substância é insignificante para usinas termelétricas.

Tabela 3.1

Consequentemente, o processo de combustão do combustível é acompanhado por enormes emissões de subprodutos que poluem o meio ambiente. Portanto, o desenvolvimento de novos métodos de conversão de energia que reduzam as emissões de resíduos na atmosfera é um dos problemas sociais mais importantes. Isto, claro, não significa que as modernas centrais térmicas, hidroeléctricas e nucleares não correspondam ao espírito da época e que a sua construção seja interrompida.

Num futuro próximo, as centrais térmicas continuarão a ser uma das principais, pelo que melhorar o seu design e melhorar o ciclo termodinâmico é importante para a energia em grande escala.

Grandes esperanças são depositadas nas centrais nucleares, cuja implementação está a ocorrer em muitos países do mundo a um ritmo sem precedentes na história da tecnologia. Espera-se que até 2000 a capacidade total das usinas nucleares no mundo seja de 3.500-3.600 GW, enquanto a capacidade energética total atingirá 7.000-7.200 GW. Por outras palavras, assume-se que pelo menos 50% de toda a capacidade energética disponível para a humanidade provirá de centrais nucleares. Estes números indicam um elevado ritmo de desenvolvimento, especialmente considerando que a primeira central nuclear foi construída em 1954.

Em termos de utilização da substância nas centrais nucleares, a eficiência é significativamente superior à das centrais térmicas (ver Tabela 2.1), mas desde que esta substância seja especialmente preparada para desempenhar as funções de combustível nuclear. Ao mesmo tempo, nas usinas nucleares, o ciclo termodinâmico clássico de conversão de calor em energia mecânica, que é então convertida em energia elétrica pelos geradores, leva a grandes perdas de energia obtida nos reatores. Assim, nas modernas usinas nucleares não é possível evitar as principais deficiências fundamentais inerentes às usinas termelétricas.

A perspectiva da ciência é tentadora - obter formas eficazes de converter diretamente a energia nuclear em energia elétrica. Prevendo a enorme importância que a energia nuclear está destinada a desempenhar na história da humanidade, Herbert Wells no início do século XX. escreveu; “...o amanhecer do poder e da liberdade já despontava sob um céu iluminado pela esperança, diante da ciência, que, como uma deusa beneficente, segurava em mãos fortes a escuridão total da vida humana, a abundância, a paz, a resposta para incontáveis ​​enigmas, as chaves para os feitos mais gloriosos, esperando, até que as pessoas se dignem a aceitá-los...”

Amplamente utilizadas em muitos países do mundo, as usinas hidrelétricas construídas em rios continuarão a se desenvolver como conversores de energia muito modernos em forma renovável. Devido à crescente poluição da biosfera e ao fornecimento limitado de combustível, há um interesse crescente em centrais eléctricas “limpas” que utilizam a energia das marés marítimas, o calor do interior da Terra e a energia da radiação solar.

Assim, juntamente com o desenvolvimento da civilização e do progresso tecnológico, os existentes, que se tornaram clássicos, serão melhorados e serão criados novos métodos mais eficientes de conversão de energia. A longo prazo, a humanidade terá um arsenal de fontes de energia qualitativamente diferentes, e aquilo que utiliza hoje tornar-se-á inevitavelmente uma coisa do passado, tal como as máquinas a vapor se tornaram agora históricas.

Apesar do rápido progresso energético e da elevada taxa de aumento do potencial energético do planeta, a produção de energia é insuficiente. Ainda temos de ter em conta o facto real de que a maior parte da população mundial sofre de fome, pobreza e poluição ambiental.

Além disso, o consumo de energia no mundo (diferentes países) é extremamente desigual e, como mostrado acima, o consumo de energia num país está de certa forma relacionado com o nível cultural (ver p. 19) da sua população. O desenvolvimento da civilização e a produção de bens materiais também estão diretamente relacionados com a quantidade de energia consumida e a sua qualidade.

Para melhorar as condições de vida das pessoas no planeta, aumentar significativamente a produtividade do trabalho, mudar as paisagens em grande escala, bem como resolver uma série de outros problemas vitais, juntamente com a criação das condições sociais necessárias ao desenvolvimento, é importante obter suficiente grandes quantidades de energia.

Como escrevem corretamente os cientistas americanos G. Seaborg e W. Corliss, “...energia barata significa comida abundante, abundância de água doce, ar puro e tudo o que é comumente chamado de sinais de civilização”.

A escassez de produtos agrícolas no mundo moderno coloca o problema do aumento da sua produção aos governos de vários países. Até certo ponto, um aumento no abastecimento de alimentos pode ser obtido através do uso de terras vazias adequadas para a agricultura. No entanto, estas oportunidades não estão disponíveis em todos os países com insegurança alimentar e são também limitadas. No contexto de um rápido aumento da população, a resolução do problema alimentar só é possível através da intensificação da agricultura e, em primeiro lugar, da irrigação da terra. As reservas de água doce adequadas para fins de irrigação são pequenas. Desde os tempos antigos, as pessoas sonham em usar a água do mar que lava as costas para fins agrícolas. A dessalinização da água do mar à escala industrial torna-se possível agora, quando, com a ajuda das centrais nucleares mais adequadas, é possível obter grandes quantidades de calor necessárias à destilação da água do mar.

De acordo com as estimativas existentes, 1/3 da Terra não está povoada devido à falta de humidade, enquanto 1/2 da população mundial está “lotada” em 1/10 da terra. Com a ajuda de fontes de energia baratas, seria possível transformar o território desabitado da Terra em um território próspero, abrindo amplos horizontes para uma parte significativa da população do planeta.

Enormes quantidades de energia também serão necessárias à humanidade para resolver problemas como a mudança do clima em vastas áreas, alterando a direção das correntes marítimas ou a construção de reservatórios com uma grande superfície de evaporação, a transformação da paisagem, a construção de baías marítimas artificiais, etc.

Os métodos utilizados na produção moderna de energia elétrica são acompanhados de grandes perdas e baseiam-se no desperdício de combustíveis fósseis. No futuro, à medida que aumenta a necessidade de grandes quantidades de energia barata e a utilização mais racional de matérias-primas naturais para a produção de produtos da indústria química, farmacêutica, etc., os métodos tradicionais de conversão de energia serão inevitavelmente substituídos por métodos qualitativamente novos métodos, principalmente métodos de conversão direta de calor e energia química em energia elétrica.

Os métodos para converter diretamente vários tipos de energia em energia elétrica baseiam-se em fenômenos e efeitos físicos descobertos no passado. A sua aplicação prática está a melhorar com o progresso da ciência e da tecnologia, a acumulação de rico material experimental e a utilização da tecnologia mais recente. No entanto, os métodos de produção direta de energia elétrica ainda não são competitivos com os métodos de conversão de energia utilizados nas centrais elétricas modernas. A produção direta de grandes quantidades de eletricidade através da conversão de energia térmica, química e nuclear é um dos métodos novos e promissores que sem dúvida se tornarão os principais e aumentarão significativamente os recursos energéticos disponíveis no planeta.

A produção direta de energia elétrica já é amplamente utilizada em fontes de energia autônomas de baixo consumo, para as quais os indicadores de eficiência operacional não são críticos, mas confiabilidade, compacidade, facilidade de manutenção, baixo peso, etc. sistemas de coleta em locais de difícil acesso na Terra e no espaço interplanetário, em espaçonaves, aviões, navios, etc. A capacidade total instalada de bilhões de fontes de energia autônomas, apesar de seu tamanho modesto, excede a capacidade de todas as usinas estacionárias combinadas .

A operação de fontes autônomas que convertem diretamente vários tipos de energia em energia elétrica é baseada em efeitos químicos ou físicos. Fontes químicas, por exemplo, como células galvânicas, baterias, geradores eletroquímicos, etc., utilizam a energia das reações redox dos reagentes químicos. Fontes físicas de eletricidade, como geradores termiônicos, baterias fotovoltaicas, geradores termiônicos, operam de acordo com diversos efeitos físicos.

Um dos problemas físicos e técnicos centrais da energia é a criação de geradores magnetohidrodinâmicos (geradores MHD) que convertem diretamente energia térmica em energia elétrica. As possibilidades para a implementação prática deste tipo de conversão de energia em ampla escala industrial aparecem em conexão com os avanços na física atômica, na física dos plasmas, na metalurgia e em vários outros campos.

A conversão direta de energia térmica em energia elétrica pode aumentar significativamente a eficiência do uso de recursos combustíveis.

Para a moderna indústria de energia elétrica, a lei da indução eletromagnética descoberta por Faraday é de grande importância, que afirma que uma fem é induzida em um condutor que se move em um campo magnético. Neste caso, o condutor pode ser sólido, líquido ou gasoso. O campo da ciência que estuda a interação entre um campo magnético e líquidos ou gases condutores é denominado magnetohidrodinâmica.

Kelvin também mostrou que o movimento da água salgada na foz de um rio no campo magnético da Terra causa o aparecimento de uma fem. O diagrama de um gerador Kelvin MHD é mostrado na Fig. 3.1. De acordo com a lei da indução eletromagnética, a intensidade da corrente nos condutores 1 conectados às placas 2 baixadas na água ao longo das margens do rio é proporcional à indução do campo magnético! A Terra e a velocidade do fluxo da água salgada do mar no rio.1 Quando a direção do fluxo da água no rio mudou, a direção da corrente elétrica nos condutores entre as placas também mudou.

O diagrama principal de operação de um gerador MHD-1 moderno (Fig. 3.2) difere pouco daquele mostrado na Fig. 3.1. No esquema em consideração, um fluxo de gás ionizado, que possui a energia cinética do movimento direcional das partículas, passa entre placas metálicas localizadas em um forte campo magnético. Neste caso, de acordo com a lei da indução eletromagnética, surge um EMF, provocando o fluxo de corrente elétrica entre os eletrodos! dentro do canal do gerador e no circuito externo. O fluxo de gás ionizado - plasma - é desacelerado sob a ação de forças eletrodinâmicas decorrentes da interação da corrente que flui no plasma e do fluxo magnético. Uma analogia pode ser feita entre as forças resultantes e as forças de frenagem que atuam no trabalho. lâminas de turbinas a vapor e a gás em partículas de vapor ou gás. A transformação da energia ocorre realizando trabalho para superar as forças de frenagem.

Se qualquer gás for aquecido a uma alta temperatura (~3000°C), aumentando assim sua energia interna e transformando-o em uma substância eletricamente condutora, então, com a subsequente expansão do gás nos canais de trabalho do gerador MHD, uma conversão direta ocorrerá a conversão de energia térmica em energia elétrica.

Arroz. 3.3. Diagrama esquemático de um gerador MHD com usina a vapor: " - câmara de combustão; 2 - trocador de calor; 3 - gerador MHD; 4 - enrolamento eletroímã; 5 - gerador de vapor; 6 - turbina; 7 - gerador; 3 - condensador; 9 - bombear

Um diagrama esquemático de um gerador MHD com uma usina a vapor é mostrado na Fig. 3.3. O combustível orgânico é queimado na câmara de combustão, e os produtos resultantes em estado de plasma com adição de aditivos são enviados para o canal de expansão do gerador MHD. Um forte campo magnético é criado por poderosos eletroímãs. A temperatura do gás no canal do gerador não deve ser inferior a 2.000°C e na câmara de combustão 2.500-2.800°C. A necessidade de limitar a temperatura mínima dos gases que saem dos geradores MHD é causada por uma diminuição tão significativa na condutividade eléctrica dos gases a temperaturas inferiores a 2000°C que a sua interacção magneto-hidrodinâmica com o campo magnético praticamente desaparece.

O calor dos gases exauridos nos geradores MHD é utilizado primeiramente para aquecer o ar fornecido à câmara de combustão do combustível e, consequentemente, aumentar a eficiência do processo de combustão. Então, em uma usina a vapor, o calor é gasto na geração de vapor e na redução de seus parâmetros aos valores exigidos.

Os gases que saem do canal do gerador MHD têm uma temperatura de aproximadamente 2.000°C, e os trocadores de calor modernos, infelizmente, podem operar em temperaturas não superiores a 800°C, portanto, quando os gases são resfriados, parte do calor é perdida.

Na Fig. 3.4 (ver folha de rosto II) mostra esquematicamente os principais elementos de uma central eléctrica MHD com uma central eléctrica a vapor e as suas relações.

A dificuldade na criação de geradores MHD reside na obtenção de materiais com a resistência necessária. Apesar das condições estáticas de funcionamento, são impostas elevadas exigências aos materiais, uma vez que estes devem trabalhar durante muito tempo em ambientes agressivos a altas temperaturas (2500-2800°C). Para as necessidades da tecnologia de foguetes, foram criados materiais que podem funcionar em tais condições, mas só podem funcionar por um curto período de tempo - em poucos minutos. A duração da operação das usinas industriais deve ser calculada no mínimo em meses.

A resistência ao calor depende não apenas dos materiais, mas também do meio ambiente. Por exemplo, um filamento de tungstênio em uma lâmpada elétrica a uma temperatura de 2500-2700°C pode operar em um ambiente de vácuo ou gás neutro por vários milhares de horas e derrete no ar após alguns segundos.

A redução da temperatura do plasma pela adição de aditivos causa aumento da corrosão dos materiais estruturais. Atualmente, foram criados materiais que podem operar por muito tempo em temperaturas de 2.200 a 2.500°C (grafite, óxido de magnésio, etc.), mas não são capazes de suportar esforços mecânicos.

Apesar dos avanços alcançados, o problema de criação de materiais para um gerador MHD ainda não foi resolvido. A busca pelo gás com as melhores propriedades também está em andamento. O hélio com uma pequena adição de césio a uma temperatura de 2.000°C tem a mesma condutividade que os produtos da combustão do combustível mineral a uma temperatura de 2.500°C. Foi desenvolvido um projeto para um heckerator MHD operando em ciclo fechado no qual o hélio circula continuamente no sistema.

Para operar um gerador MHD, é necessário criar um forte campo magnético, que pode ser obtido pela passagem de enormes correntes pelos enrolamentos. Para evitar forte aquecimento dos enrolamentos e perdas de energia nos mesmos, a resistência dos condutores deve ser a mais baixa possível. Portanto, é aconselhável usar materiais supercondutores como condutores.

Geradores MHD com reatores nucleares. Geradores MHD com reatores nucleares utilizados para aquecimento de gases e sua ionização térmica são promissores. O diagrama proposto para tal instalação é mostrado na Fig. 3.5.

As dificuldades na criação de um gerador MHD com reator nuclear são que os elementos combustíveis modernos contendo urânio e revestidos com óxido de magnésio permitem temperaturas não muito superiores a 600°C, enquanto a ionização de gases requer uma temperatura de aproximadamente 2.000°C.

Os primeiros projetos experimentais de geradores MHD ainda são caros. No futuro, podemos esperar uma redução significativa no seu custo, o que permitirá a utilização com sucesso de geradores MHD para cobrir picos de carga em sistemas de energia, ou seja, em modos de operação de prazo relativamente curto. Nestes modos, a eficiência não é crítica e os geradores MHD podem ser usados ​​sem um acessório de energia a vapor.

Atualmente, poderosas amostras industriais piloto de conversores de energia MHD foram construídas na URSS, nas quais estão sendo realizadas pesquisas para melhorar seu projeto e criar usinas de energia MHD eficientes que sejam competitivas com as usinas convencionais.

Arroz. 3.5. Projeto de gerador MHD com reator nuclear:

1 - reator nuclear; 2 - bico; 3 - gerador MHD; 4 - local de condensação dos metais alcalinos; 5 - bomba; 6 - local de entrada dos metais alcalinos

De todos os dispositivos que convertem diretamente energia térmica em energia elétrica, os geradores termoelétricos (TEGs) de potência relativamente baixa são os mais utilizados.

As principais vantagens do TEG: 1) não existem partes móveis; 2) não há necessidade de altas pressões; 3) qualquer fonte de calor pode ser utilizada;

4) existe um grande recurso de trabalho.

Os TEGs são amplamente utilizados como fontes de energia em objetos espaciais, foguetes, submarinos, faróis e muitas outras instalações.

Dependendo da finalidade, os TEGs podem converter calor obtido em reatores nucleares, energia de radiação solar, energia de combustível orgânico, etc. em energia elétrica obtida a partir do decaimento de isótopos radioativos e da fissão de núcleos de elementos pesados ​​em reatores. em TEGs com quase 50 anos.

O princípio de funcionamento do termoelemento é baseado no efeito Seebeck. Em 1921, Seebeck relatou experimentos envolvendo a deflexão de uma agulha magnética perto de circuitos termoelétricos. Nestes estudos, Seebeck não considerou o problema da obtenção de energia. A essência do efeito aberto é que em um circuito fechado constituído por materiais diferentes, a corrente flui em diferentes temperaturas dos contatos dos materiais.

O efeito Seebeck pode ser explicado qualitativamente pelo fato de que a energia média dos elétrons livres é diferente em diferentes condutores e aumenta de forma diferente com o aumento da temperatura. Se houver uma diferença de temperatura ao longo do condutor, então ocorre um fluxo direcionado de elétrons da junção quente para a junção fria, como resultado do qual um excesso de cargas negativas é formado na junção fria e um excesso de cargas positivas na junção fria. a junção quente. Esse fluxo é mais intenso em condutores com alta concentração de elétrons. No termopar mais simples, cujo circuito fechado consiste em dois condutores com diferentes concentrações de elétrons e as junções são mantidas em temperaturas diferentes, surge uma corrente elétrica. Se o circuito do termoelemento estiver aberto, o acúmulo de elétrons na extremidade fria aumenta seu potencial negativo até que um equilíbrio dinâmico seja estabelecido entre os elétrons que se movem em direção à extremidade fria e os elétrons que se afastam da extremidade fria sob a influência da diferença de potencial resultante. . Quanto menor for a condutividade elétrica do material, menor será a taxa de fluxo reverso de elétrons, portanto, maior será a fem. Portanto, os elementos semicondutores são mais eficientes que os metais.

Uma das aplicações práticas dos TEGs é uma bomba de calor que libera calor em uma parte e absorve calor na outra usando energia elétrica. Se mudar o sentido da corrente, a bomba funcionará no modo oposto, ou seja, as partes nas quais o calor é liberado e absorvido mudarão de lugar. Essas bombas de calor podem ser usadas com sucesso para termorregulação de instalações residenciais e outras. No inverno, as bombas aquecem o ar da sala e resfriam o exterior (Fig. 3.6, a), e no verão, ao contrário, resfriam o ar da sala e aquecem o exterior (Fig. 3.6, b). Na Fig. 3.6, c mostra uma visão geral e um diagrama de instalação de uma bomba de calor em uma sala.

Atualmente, foram criados semicondutores que operam em temperaturas acima de 500°C. Contudo, para um TEG industrial, a temperatura da junção quente precisará ser elevada para aproximadamente 1100°C. Com esse aumento de temperatura, semicondutores de vários tipos tendem a se transformar em semicondutores, nos quais o número de portadores de carga positiva e negativa é igual. Ao criar um gradiente de temperatura, essas cargas se movem da junção quente para a junção fria em quantidades iguais e, portanto, não ocorre acúmulo de potencial, ou seja, não é criada termo-fem. Os próprios semicondutores são inúteis para gerar corrente termoelétrica.

Atualmente, pesquisas estão sendo amplamente realizadas para criar semicondutores operando em altas temperaturas. Para operar um TEG, pode-se utilizar o calor obtido nos reatores durante a fissão de núcleos de elementos pesados. Porém, neste caso, é necessário resolver uma série de problemas, em particular, determinar a influência do efeito da forte radiação nos materiais semicondutores, uma vez que o combustível nuclear pode estar em contato direto com materiais semicondutores.

A questão da conveniência do uso de certas fontes de energia é decidida em favor do TEG nos casos em que a principal importância não é a eficiência, mas sim a compacidade, confiabilidade, portabilidade e conveniência.

A URSS criou um TEG industrial confiável usando combustível nuclear - “Romashka”. Sua potência elétrica é de 500 W.

O decaimento radioativo natural dos núcleos é acompanhado pela liberação de energia cinética de partículas e y-quanta. Essa energia é absorvida pelo ambiente que circunda o isótopo radioativo e convertida em calor, que pode ser utilizado para gerar energia elétrica por meios termoelétricos. As instalações que convertem a energia do decaimento radioativo natural em energia elétrica por meio de termoelementos são chamadas de termogeradores de radioisótopos. Os termogeradores de radioisótopos são confiáveis ​​​​na operação, têm uma longa vida útil, são compactos e são usados ​​​​com sucesso como fontes de energia autônomas para diversas instalações espaciais e terrestres.

Os geradores modernos de radioisótopos têm uma eficiência de 3-5% e uma vida útil de 3 meses a 10 anos. As características técnicas e económicas destes geradores podem ser significativamente melhoradas no futuro. Atualmente estão sendo criados projetos de geradores com capacidade de até 10 kW.

Vários ramos da ciência e da tecnologia estão demonstrando interesse em termogeradores de radioisótopos. Supõe-se que sejam usados ​​​​como fonte de energia para um coração humano artificial, bem como para estimular o funcionamento de vários órgãos nos organismos vivos. Os termogeradores de radioisótopos provaram ser especialmente adequados para a exploração espacial, onde são necessárias fontes de energia que possam operar por muito tempo e de forma confiável sob condições desfavoráveis ​​​​de exposição à radiação ionizante, em cinturões de radiação, na superfície de outros planetas e seus satélites.

O fenômeno da emissão termiônica foi descoberto por T. Edison em 1883. Enquanto trabalhava na criação de uma lâmpada elétrica, Edison colocou dois filamentos em um frasco. Quando um deles queimou, ele acendeu a lâmpada e acendeu o outro. Durante os testes das lâmpadas, descobriu-se que uma certa quantidade de eletricidade passa para o filamento frio, ou seja, os elétrons “evaporam” do filamento quente – o cátodo – e passam para o filamento frio – o ânodo – e depois para o circuito elétrico externo. Nesse caso, parte da energia térmica gasta no aquecimento do cátodo é transferida pelos elétrons e dada ao ânodo, e parte da energia dos elétrons é liberada no circuito elétrico externo quando a corrente elétrica flui.

O ânodo aquece devido ao calor trazido pelos elétrons. Se as temperaturas do cátodo e do ânodo fossem iguais, então o calor de “evaporação” dos elétrons do cátodo seria exatamente igual ao calor de “condensação” dos elétrons no ânodo e não haveria conversão de calor em energia elétrica energia. Quanto mais baixa a temperatura do ânodo em comparação com a temperatura do cátodo, maior parte da energia térmica é convertida em eletricidade. O circuito mais simples de um conversor de energia termiônica é mostrado na Fig. 3.7.

Arroz. 3.7. Dispositivo conversor termiônico

energia: 1 - cátodo; 2 - ânodo

No processo de emissão termiônica, elétrons livres são liberados da superfície dos metais. Os metais contêm um grande número de elétrons livres - cerca de 6 × 10 21 em 1 cm 3. Dentro do metal, as forças atrativas do elétron são equilibradas pelos núcleos carregados positivamente (Fig. 3.8). Imediatamente na superfície, os elétrons estão sujeitos às forças de atração resultantes, para superá-las e escapar além do metal, o elétron deve ter energia cinética suficiente. Um aumento na energia cinética ocorre quando o metal é aquecido.

Arroz. 3.8. O surgimento de forças resultantes agindo sobre um elétron em um metal e próximo à sua superfície

Nos geradores termiônicos de energia, o calor obtido como resultado de uma reação nuclear pode ser utilizado para aquecer o cátodo. O diagrama de um conversor termiônico nuclear é mostrado na Fig. 3.9. A eficiência dos primeiros conversores foi de aproximadamente 15%; De acordo com as previsões atuais, pode ser aumentado para 40%.

A emissão de elétrons em geradores termiônicos é causada pelo aquecimento do cátodo. Durante o decaimento radioativo, elétrons (raios P) são emitidos devido às propriedades naturais dos elementos. Usando diretamente esta propriedade, é possível converter diretamente a energia nuclear em energia elétrica (Fig. 3.10).

Arroz. 3.9. Nuclear termiônico conversor: 1 - proteção; 2 - refrigerador; 3 - ânodo; 4 vácuo; 5 - cátodo; combustível b-nuclear

Arroz. 3.10. Diagrama da instalação de conversão direta de energia nuclear em energia elétrica: 1- β -emissor radioativo; 2 - ampola metálica; 3 - metálico navio

Geradores eletroquímicos convertem diretamente energia química em energia elétrica. A ocorrência de EMF em uma célula galvânica está associada à capacidade dos metais de enviar seus íons para a solução como resultado da interação molecular entre os íons metálicos e as moléculas (e íons) da solução.

Consideremos os fenômenos que ocorrem quando um eletrodo de zinco é mergulhado em uma solução de sulfato de zinco (ZnSO 4). As moléculas de água tendem a cercar os íons positivos de zinco no metal (Fig. 3.11). Como resultado da ação de forças eletrostáticas, os íons positivos de zinco passam para a solução de sulfato de zinco. Esta transição é facilitada pelo grande momento dipolar da água.

Junto com o processo de dissolução do zinco, também ocorre um processo inverso, quando os íons positivos de zinco retornam ao eletrodo de zinco ao atingirem o eletrodo como resultado do movimento térmico.

À medida que os íons positivos passam para a solução, o potencial negativo do eletrodo aumenta, impedindo essa transição. A um certo potencial do metal, ocorre o equilíbrio dinâmico, ou seja, dois contrafluxos de íons (do eletrodo para a solução e vice-versa) serão idênticos. Este potencial de equilíbrio é chamado de potencial eletroquímico do metal em relação a um determinado eletrólito.

As células galvânicas encontraram uma importante aplicação técnica em baterias, onde a substância consumida durante a extração da corrente é preliminarmente acumulada nos eletrodos quando a corrente de uma fonte externa passa por eles por algum tempo (durante o carregamento). A utilização de baterias no setor energético é difícil devido à pequena oferta de combustível químico ativo, que não permite a produção contínua de eletricidade em grandes quantidades. Além disso, as baterias são caracterizadas por baixa densidade de potência.

Muita atenção em muitos países ao redor do mundo é dada à conversão direta de energia química de combustíveis orgânicos em energia elétrica, realizada em células de combustível. Esses conversores de energia podem atingir valores de eficiência mais elevados do que os motores térmicos. Em 1893, o físico e químico alemão Nernst calculou que a eficiência teórica do processo eletroquímico de conversão da energia química do carvão em energia elétrica é de 99,75%.

Arroz. 3.11. O arranjo de cargas elétricas que promovem a transição de íons positivos de zinco em uma solução de sulfato de zinco

Na Fig. A Figura 3.12 mostra um diagrama esquemático de uma célula a combustível hidrogênio-oxigênio. Os eletrodos da célula de combustível são porosos. No ânodo, os íons positivos de hidrogênio passam para o eletrólito. Os elétrons restantes criam um potencial negativo e se movem para o cátodo no circuito externo. Os átomos de oxigênio localizados no cátodo fixam elétrons a si mesmos, formando íons negativos, que, adicionando átomos de hidrogênio da água, passam para a solução na forma de íons hidroxila OH-. Os íons hidroxila se combinam com os íons hidrogênio para formar água. Assim, quando são fornecidos hidrogênio e oxigênio, ocorre a reação de oxidação do combustível por íons com a formação simultânea de uma corrente no circuito externo. Como a tensão nos terminais do elemento é baixa (cerca de 1 V), os elementos são conectados em série em baterias. A eficiência das células de combustível é muito alta. Teoricamente, está próximo da unidade, mas na prática é de 60-80%.

A utilização do hidrogénio como combustível está associada ao elevado custo de funcionamento das células de combustível, pelo que se procuram oportunidades para a utilização de outros tipos de combustível mais baratos, principalmente gás natural e de gerador. No entanto, taxas satisfatórias de reação de oxidação gasosa ocorrem em altas temperaturas de 800-1200 K, o que impede o uso de soluções aquosas alcalinas como eletrólitos. Neste caso, podem ser utilizados eletrólitos sólidos com condutividade iônica.

Atualmente, um extenso trabalho está em andamento para criar células de combustível eficientes de alta temperatura. Até agora, a densidade de potência das células de combustível ainda é baixa. É várias vezes inferior ao dos motores de combustão interna. No entanto, os avanços na eletroquímica e as melhorias no design das células de combustível tornarão, num futuro próximo, possível a utilização de células de combustível em veículos e energia. As células a combustível são silenciosas, econômicas e não possuem resíduos nocivos que poluem a atmosfera.

Arroz. 3.12. Diagrama de uma célula a combustível hidrogênio-oxigênio:

1 - corpo; 2- cátodo; 3 - eletrólito; 4 - ânodo

Fornecer energia suficiente às necessidades da humanidade é uma das principais tarefas que a ciência moderna enfrenta. Em ligação com o aumento do consumo de energia dos processos que visam a manutenção das condições básicas da sociedade, surgem problemas agudos não só na geração de grandes volumes de energia, mas também na organização equilibrada dos seus sistemas de distribuição. E o tema da transformação energética é de fundamental importância neste contexto. Deste processo dependem o coeficiente de produção do potencial energético útil, bem como o nível de custos de manutenção das operações tecnológicas no âmbito da infra-estrutura utilizada.

Informações gerais sobre tecnologia de conversão

A necessidade de utilização de diferentes está associada a diferenças nos processos que requerem recurso de energia. O calor é necessário para o aquecimento, a energia mecânica é necessária para alimentar o movimento dos mecanismos e a luz é necessária para a iluminação. A eletricidade pode ser chamada de fonte universal de energia tanto em termos de sua transformação quanto em termos de sua aplicação em diversos campos. Como energia inicial, costumam ser utilizados fenômenos naturais, bem como processos organizados artificialmente que contribuem para a geração do mesmo calor ou força mecânica. Em cada caso, é necessário um determinado tipo de equipamento ou estrutura tecnológica complexa que, em princípio, permita a conversão da energia na forma necessária ao consumo final ou intermédio. Além disso, dentre as tarefas do conversor, não só se destaca a transformação como a transferência de energia de um tipo para outro. Muitas vezes este processo também serve para alterar alguns parâmetros de energia sem transformá-la.

A transformação em si pode ser de estágio único ou de vários estágios. Além disso, por exemplo, o funcionamento de geradores solares fotocristalinos é normalmente considerado como a transformação da energia luminosa em eletricidade. Mas, ao mesmo tempo, também é possível transformar a energia térmica que o Sol dá ao solo como resultado do aquecimento. Os módulos geotérmicos são colocados a uma certa profundidade no solo e, através de condutores especiais, enchem as baterias com reservas de energia. Num esquema de conversão simples, o sistema geotérmico proporciona a acumulação de energia térmica, que é fornecida ao equipamento de aquecimento na sua forma pura com preparação básica. A complexa estrutura utiliza uma bomba de calor em um único grupo com condensadores de calor e compressores que fornecem conversão de calor e eletricidade.

energia elétrica

Existem diferentes métodos tecnológicos para extrair energia primária de fenômenos naturais. Mas ainda mais oportunidades para alterar as propriedades e formas de energia são fornecidas pelos recursos energéticos acumulados, uma vez que são armazenados de uma forma conveniente para transformação. As formas mais comuns de conversão de energia incluem radiação, aquecimento, operações mecânicas e químicas. Os sistemas mais complexos envolvem processos de degradação molecular e reações químicas multiníveis que combinam múltiplas etapas de transformação.

A escolha de um método de transformação específico dependerá das condições de organização do processo, do tipo de energia inicial e final. Entre os tipos de energia mais comuns que, em princípio, participam de processos de transformação estão a energia radiante, mecânica, térmica, elétrica e química. No mínimo, estes recursos são explorados com sucesso na indústria e nas famílias. Os processos indiretos de conversão de energia, que são derivados de uma ou outra operação tecnológica, merecem atenção especial. Por exemplo, a produção metalúrgica requer operações de aquecimento e resfriamento, que produzem vapor e calor como recursos derivados, mas não alvo. Em essência, trata-se de resíduos que também são utilizados, transformados ou utilizados dentro da mesma empresa.

Conversão de energia térmica

Uma das fontes de energia mais antigas em termos de desenvolvimento e a mais importante para a manutenção da vida humana, sem a qual é impossível imaginar a vida da sociedade moderna. Na maioria dos casos, o calor é convertido em eletricidade, e um esquema simples para tal transformação não requer a conexão de estágios intermediários. Porém, em usinas térmicas e nucleares, dependendo de suas condições de operação, pode ser utilizada uma etapa de preparação com conversão de energia térmica em mecânica, o que acarreta custos adicionais. Hoje, geradores termoelétricos diretos são cada vez mais utilizados para converter energia térmica em eletricidade.

O próprio processo de transformação ocorre em uma substância especial, que é queimada, libera calor e posteriormente atua como fonte de geração de corrente. Ou seja, as instalações termelétricas podem ser consideradas fontes de energia elétrica de ciclo zero, pois seu funcionamento começa antes mesmo do surgimento da energia térmica de base. O principal recurso são os elementos combustíveis - geralmente misturas de gases. Eles são queimados, resultando no aquecimento da placa metálica de distribuição de calor. No processo de remoção de calor através de um módulo gerador especial com materiais semicondutores, ocorre a conversão de energia. A corrente elétrica é gerada por uma unidade radiadora conectada a um transformador ou bateria. Na primeira opção, a energia é imediatamente fornecida ao consumidor já pronta e, na segunda, é acumulada e liberada conforme a necessidade.

Geração de energia térmica a partir de mecânica

Também uma das formas mais comuns de obter energia como resultado da transformação. Sua essência reside na capacidade dos corpos de liberar energia térmica no processo de realização do trabalho. Na sua forma mais simples, este esquema de transformação de energia é demonstrado pelo exemplo do atrito de dois objetos de madeira, que resulta em incêndio. Contudo, para utilizar este princípio com benefícios práticos tangíveis, são necessários dispositivos especiais.

Nas residências, a transformação da energia mecânica ocorre nos sistemas de aquecimento e abastecimento de água. São estruturas técnicas complexas com núcleo magnético e núcleo laminado conectado a circuitos fechados eletricamente condutores. Também dentro da câmara de trabalho deste projeto existem tubos de aquecimento, que são aquecidos sob a ação do trabalho realizado pelo acionamento. A desvantagem desta solução é a necessidade de conectar o sistema à rede elétrica.

Na indústria, são utilizados conversores refrigerados a líquido mais potentes. A fonte de trabalho mecânico está ligada a tanques de água fechados. Durante a movimentação dos órgãos executivos (turbinas, pás ou outros elementos estruturais) são criadas condições para a formação de vórtices no interior do circuito. Isso acontece em momentos de frenagem brusca das pás. Além do aquecimento, neste caso a pressão também aumenta, o que facilita os processos de circulação da água.

A maioria das unidades técnicas modernas opera segundo os princípios da eletromecânica. Máquinas e geradores elétricos síncronos e assíncronos são utilizados em transportes, máquinas-ferramentas, unidades de engenharia industrial e outras usinas de energia para diversos fins. Ou seja, os tipos eletromecânicos de conversão de energia são aplicáveis ​​aos modos de operação do gerador e do motor, dependendo dos requisitos atuais do sistema de acionamento.

De forma generalizada, qualquer máquina elétrica pode ser considerada como um sistema de circuitos elétricos acoplados magneticamente que se movem mutuamente. Fenômenos semelhantes também incluem histerese, saturação, harmônicos mais elevados e perdas magnéticas. Mas na visão clássica, eles só podem ser classificados como análogos de máquinas elétricas se estivermos falando de modos dinâmicos quando o sistema opera dentro da infraestrutura energética.

O sistema eletromecânico de conversão de energia é baseado no princípio de duas reações com componentes bifásicos e trifásicos, bem como no método de rotação de campos magnéticos. O rotor e o estator dos motores realizam trabalho mecânico sob a influência de um campo magnético. Dependendo da direção do movimento das partículas carregadas, o modo de operação é definido - como motor ou gerador.

Gerando eletricidade a partir de energia química

A fonte química total de energia é tradicional, mas os métodos de sua transformação não são tão comuns devido às restrições ambientais. A energia química em si praticamente não é utilizada em sua forma pura - pelo menos na forma de reações concentradas. Ao mesmo tempo, processos químicos naturais cercam uma pessoa em todos os lugares na forma de combinações de alta ou baixa energia, que se manifestam, por exemplo, durante a combustão com liberação de calor. No entanto, a conversão de energia química é organizada propositalmente em algumas indústrias. Normalmente, são criadas condições para combustão de alta tecnologia em geradores de plasma ou turbinas a gás. Um reagente típico para esses processos é uma célula a combustível, que contribui para a produção de energia elétrica. Do ponto de vista da eficiência, tais transformações não são tão benéficas quando comparadas com métodos alternativos de geração de eletricidade, uma vez que parte do calor útil é dissipado mesmo em instalações modernas de plasma.

Conversão de energia de radiação solar

Como método de conversão de energia, o processo de processamento da luz solar poderá, num futuro próximo, tornar-se o mais popular no setor energético. Isso se deve ao fato de que ainda hoje todo proprietário pode, teoricamente, adquirir equipamentos para conversão de energia solar em elétrica. A principal característica deste processo é que a luz solar acumulada é gratuita. Outra coisa é que isso não torna o processo totalmente gratuito. Em primeiro lugar, haverá custos associados à manutenção das baterias solares. Em segundo lugar, os geradores deste tipo em si não são baratos, pelo que poucos ainda podem arcar com o investimento inicial na organização da sua própria mini-central eléctrica.

O que é um gerador de energia solar? Trata-se de um conjunto de painéis fotovoltaicos que convertem a energia dos raios solares em eletricidade. O próprio princípio desse processo é em muitos aspectos semelhante à operação de um transistor. O silício é utilizado como principal material para a fabricação de células solares em diferentes versões. Por exemplo, um dispositivo para conversão de energia solar pode ser poli ou monocristalino. A segunda opção é preferível em termos de características de desempenho, mas é mais cara. Em ambos os casos, a fotocélula é iluminada, durante a qual os eletrodos são acionados e, no processo de seu movimento, é gerada uma força eletrodinâmica.

As turbinas a vapor podem ser usadas na indústria como forma de transformar energia em uma forma aceitável e como gerador independente de eletricidade ou calor a partir de fluxos especialmente direcionados de gás convencional. As máquinas turbinadas não são as únicas utilizadas como dispositivos de conversão de energia elétrica em conjunto com geradores de vapor, mas seu design é ideal para organizar esse processo com alta eficiência. A solução técnica mais simples é uma turbina com pás, à qual são conectados bicos com vapor fornecido. À medida que as pás se movem, a instalação eletromagnética dentro do aparelho gira, o trabalho mecânico é executado e a corrente é gerada.

Alguns projetos de turbinas possuem extensões especiais em forma de estágios, onde a energia mecânica do vapor é convertida em energia cinética. Esta característica do dispositivo é determinada não tanto pelo interesse de aumentar a produtividade de conversão de energia do gerador ou pela necessidade de gerar potencial cinético, mas por proporcionar a possibilidade de regulação flexível do funcionamento da turbina. A expansão na turbina proporciona uma função de controle, que permite regular de forma eficaz e segura a quantidade de energia gerada. A propósito, a área de trabalho de expansão, incluída no processo de conversão, é chamada de estágio de pressão ativa.

Métodos de transferência de energia

Os métodos de transformação de energia não podem ser considerados sem o conceito de sua transferência. Hoje, existem quatro formas de interação entre corpos nos quais ocorre a transferência de energia - elétrica, gravitacional, nuclear e fraca. A transmissão neste contexto também pode ser considerada como um método de troca, portanto, o desempenho do trabalho durante a transferência de energia e a função de troca de calor estão fundamentalmente separados. Que transformações de energia envolvem a realização de trabalho? Um exemplo típico é uma força mecânica na qual corpos macroscópicos ou partículas individuais de corpos se movem no espaço. Além da força mecânica, também se distinguem os trabalhos magnético e elétrico. A principal propriedade unificadora para quase todos os tipos de trabalho é a capacidade de transformação quantitativa completa entre si. Ou seja, a eletricidade é transformada em energia mecânica, o trabalho mecânico em potencial magnético, etc. A troca de calor também é um método comum de transferência de energia. Pode ser não direcionado ou caótico, mas em qualquer caso há movimento de partículas microscópicas. O número de partículas ativadas determinará a quantidade de calor – calor útil.

Conclusão

A transição de energia de uma forma para outra é normal e, em algumas indústrias, um pré-requisito para o processo de produção de energia. Em diferentes casos, a necessidade de incluir esta etapa pode ser explicada por fatores económicos, tecnológicos, ambientais e outros de geração de recursos. Ao mesmo tempo, apesar da variedade de métodos naturais e organizados artificialmente de transformação de energia, a grande maioria das instalações que fornecem processos de transformação são utilizadas apenas para eletricidade, calor e trabalho mecânico. Os meios de conversão de energia elétrica são os mais comuns. Máquinas elétricas que garantem a transformação do trabalho mecânico em eletricidade utilizando o princípio da indução, por exemplo, são utilizadas em quase todas as áreas onde são utilizados dispositivos, unidades e instrumentos técnicos complexos. E esta tendência não é decrescente, uma vez que a humanidade necessita de um aumento constante na produção de energia, o que nos obriga a procurar novas fontes de energia primária. No momento, as áreas mais promissoras da energia são os sistemas de geração da mesma eletricidade a partir da energia mecânica produzida pelo Sol, pelo vento e pelos fluxos naturais de água.

A conversão direta de energia química em energia mecânica ocorre, por exemplo, durante a contração muscular. Foi possível imitar tal transformação em condições de laboratório: foi sintetizado um filme plástico que em solução alcalina se estica duas vezes e aumenta de volume 8 vezes, e em ácido clorídrico, ao contrário, se contrai. Os experimentos utilizaram fibras proteicas e soluções salinas de diversas concentrações. O filme deformado pode realizar trabalhos mecânicos úteis. A conversão direta de energia química em energia eletromagnética ocorre em lasers químicos desenvolvidos recentemente, nos quais os átomos são excitados pela energia das reações químicas. Contudo, a eficiência dessa conversão é muito baixa.

É improvável que os métodos mencionados de conversão direta de energia encontrem ampla aplicação na produção industrial de energia.

A eletricidade nas usinas termelétricas é produzida como resultado da conversão da energia interna do combustível de acordo com o conhecido esquema:

energia química do combustível -> energia sonhadora -> energia mecânica -> energia elétrica.

Com a conversão direta da energia química em energia elétrica, são eliminadas duas etapas intermediárias de conversão, o que leva à diminuição da dissipação de energia e, consequentemente, ao aumento da

eficiência e, em última análise, à conservação dos recursos naturais. Portanto, à medida que os recursos energéticos fósseis se esgotam e os requisitos ambientais para os sistemas energéticos e os transportes, como principais consumidores de recursos energéticos, se tornam mais rigorosos, a contribuição das fontes químicas de electricidade com conversão directa nos recursos energéticos totais aumentará ao longo do tempo. Supõe-se que a produção de, por exemplo, automóveis com fontes de energia eletroquímica aumentará significativamente num futuro próximo.

Dispositivos com conversão direta de energia são conhecidos há muito tempo. Isso inclui baterias para lanterna e várias baterias. Em células de combustível desenvolvidas recentemente, também ocorre conversão direta de energia. De acordo com o princípio de funcionamento, são semelhantes às células eletroquímicas, com a diferença de que os eletrodos das células a combustível servem como catalisadores e não participam diretamente da geração de eletricidade. Assim, em uma célula a combustível hidrogênio-oxigênio, o combustível é oxidado no ânodo, liberando elétrons. Como resultado, surge uma diferença de potencial entre o ânodo e o cátodo. O ânodo é feito de uma liga porosa de níquel-cerâmica com inclusão de partículas de níquel, e o cátodo é feito da mesma liga com inclusão de prata. A partir de 1 kg de hidrogênio em uma célula de hidrogênio-oxigênio, você pode obter 10 vezes mais energia do que queimando 1 kg de gasolina em um motor de combustão interna. Isto produz água em vez de gases de escape prejudiciais. Parece que os motores a hidrogénio têm vantagens claras. Por que não estão sendo amplamente implementados e substituindo os motores a gasolina? A resposta a esta questão envolve dois problemas ainda não resolvidos relacionados com preço e fiabilidade. O hidrogénio não deve ser mais de 10 vezes mais caro que a gasolina para poder competir com ele com sucesso.

O hidrogênio é produzido de diferentes maneiras: por transformação termoquímica de hidrocarbonetos fósseis e biomassa, decomposição eletroquímica da água, transformação fotoeletroquímica e fotobiológica da água.

Cilindros de fibra de vidro leves, mas duráveis, são usados ​​para armazenar hidrogênio nos estados líquido e gasoso em instalações fixas e móveis. Também foram testados tanques para carros nos quais o hidrogênio está quimicamente ligado a hidretos metálicos. Estão sendo desenvolvidos sistemas confiáveis ​​de armazenamento de hidrogênio usando nanotubos de carbono.

O hidrogénio é utilizado em vários tipos de transporte: em automóveis com motores de combustão interna, em células de combustível para alimentar motores elétricos com rodas, em embarcações aéreas, aquáticas e submarinas, em motores de foguetes de propelente líquido.

Em 1999, a BMW lançou as primeiras modificações de ônibus e carros movidos a hidrogênio e construiu para eles um posto de abastecimento de hidrogênio no Aeroporto de Munique (Alemanha). Mais recentemente, a General Motors desenvolveu um automóvel de passageiros movido a hidrogénio. Uma recarga proporciona uma autonomia de 800 km. A eficiência desse motor é muito alta - cerca de 85%, o que excede significativamente a de um motor a gasolina. Ao mesmo tempo, um motor a hidrogénio não produz emissões prejudiciais: os resíduos são vapor de água.

Para a introdução generalizada de motores a hidrogênio, é necessário resolver o problema da produção barata de combustível - o hidrogênio. Talvez num futuro próximo seja possível resolvê-lo se o combustível hidrogênio, como o petróleo, for extraído das entranhas da Terra. Estudos recentes de nossos compatriotas geólogos mostraram que, como resultado da sondagem eletromagnética, um fenômeno anômalo é observado a uma profundidade de 5 a 6 km, que se acredita estar associado à presença de ligas isentas de oxigênio e compostos à base de silício, magnésio e ferro. Se esta suposição for confirmada pela perfuração profunda, será possível bombear hidrogênio quente diretamente da Terra, porque quando o silício e o magnésio interagem com a água, o hidrogênio e o calor são liberados. Para isso, basta perfurar dois poços - bombear água em um e extrair hidrogênio aquecido do outro. Isto tornará possível produzir recursos energéticos baratos em grandes quantidades - hidrogénio e o calor que o acompanha, e então o reabastecimento de hidrogénio tornar-se-á comum e comum.

Recentemente, cada vez mais atenção tem sido dada não apenas aos carros movidos a hidrogênio, mas também aos carros elétricos. Não muito tempo atrás, a BMW demonstrou um novo carro elétrico baseado em uma bateria de sódio e enxofre. Ele ganha velocidade muito rapidamente - em 20 segundos até 96 km/h, e o alcance entre as recargas é uma distância considerável - 270 km. No entanto, a temperatura operacional de uma bateria de enxofre-sódio é relativamente alta - cerca de 350°C, o que requer medidas de segurança adicionais.

Os primeiros carros elétricos não apareceram hoje, nem ontem, mas muito antes. Por exemplo, nos EUA no início do século XX. 38% dos carros foram produzidos com tração elétrica e bateria. Em 1912, as empresas americanas produziam aproximadamente 6.000 veículos elétricos anualmente. Seu alcance sem recarga não era tão curto para a nossa época - 80 km.

Também estão sendo desenvolvidos veículos elétricos leves: ciclomotores elétricos, scooters elétricos, miniveículos elétricos movidos a baterias de níquel-hidreto metálico, que possuem uma intensidade energética específica 2 a 3 vezes maior que as de chumbo-ácido.

Nos últimos anos, muita atenção tem sido dada ao desenvolvimento de diferentes tipos de células a combustível, que diferem na composição dos eletrodos, eletrólito e design. Por exemplo, em células de combustível alcalinas, o eletrólito é o hidróxido de potássio. Nas células a combustível de ácido fosfórico, o ânodo e o cátodo são feitos de um catalisador de platina finamente dividido pulverizado sobre uma base de carbono, e o eletrólito é uma matriz de carboneto de silício contendo ácido fosfórico. A temperatura operacional de tais elementos é de 150-220 °C. Eles são usados ​​​​em condições estacionárias (hotéis, escritórios) e em diversos veículos.

As células a combustível de sal de carbono fundido podem operar com hidrogênio, monóxido de carbono, gás natural e óleo diesel. Sua eficiência na geração de eletricidade e calor chega a 35%.

As células a combustível de óxido sólido, cuja produção foi lançada em 2003, distinguem-se pela alta estabilidade operacional e confiabilidade. Podem consumir diversos tipos de combustível. Sua potência é de até 250 kW e a eficiência é de 85%. As células a combustível de óxido sólido contêm um eletrólito cerâmico sólido feito de uma fina camada de óxido de zircônio, um cátodo de manganita de lantânio e um ânodo de níquel-zircônio. As células de combustível deste tipo funcionam eficazmente em sistemas de energia híbridos.

Estão sendo criadas células galvânicas de combustível nas quais o cátodo é uma placa porosa de carbono-grafite com oxigênio entrando nele vindo do ar, uma placa de alumínio é o ânodo e uma solução aquosa de sal de cozinha é o eletrólito. Tal elemento não necessita de recarga elétrica, pois ele próprio gera energia no processo de oxidação (combustão eletroquímica) do metal. A eficiência desse processo é de cerca de 80% e, quando oxidado em temperaturas normais, 1 kg de alumínio libera aproximadamente tanta energia quanto 1 kg de carvão quando queimado ao ar em temperaturas muito altas.

Essas fontes de energia apresentam muitas vantagens: simplicidade de design, total segurança de operação e boas características energéticas específicas. Há praticamente apenas uma desvantagem: o alto custo do material anódico, que é determinado principalmente pela alta intensidade energética de sua produção. Esta desvantagem pode ser minimizada com a introdução de novas tecnologias de produção de alumínio. Com o seu desenvolvimento industrial, o alumínio e suas ligas ficarão muito mais baratos.

Há relativamente pouco tempo, foram desenvolvidas baterias de iodo-lítio com conversão direta de energia química em energia elétrica. Estas baterias funcionam com eletrólito sólido de iodo, o que permite obter uma capacidade relativamente grande com dimensões mínimas e também aumentar a sua vida útil. Essas baterias são usadas em marca-passos. Sua vida útil é de cerca de 10 anos, muito mais longa que a das baterias convencionais.

Ao desenvolver novas modificações de conversores de energia química em energia elétrica, muita atenção é dada ao aumento de sua potência e, ao mesmo tempo, à redução do custo da eletricidade gerada.

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Trabalho do curso

Sobre o tema: Métodos de conversão de diversos tipos de energia no setor energético

Aluno: Mirza A.

Professor: Dzhumartbaeva N.

Kentau-2015

Introdução

1. Métodos para converter vários tipos de energias

1.1 Tipos de conversão de energia elétrica

1.2 Impacto de diversas fontes de energia no meio ambiente

2. Métodos de obtenção de energia elétrica

2.1 Usinas

Conclusão

Lista de literatura usada

Introdução

Energia, da palavra grega energeia – atividade ou ação, é uma medida geral de vários tipos de movimento e interação. Nas ciências naturais, distinguem-se os seguintes tipos de energia: mecânica, térmica, elétrica, química, magnética, eletromagnética, nuclear, gravitacional. A ciência moderna não exclui a existência de outros tipos de energia. A energia é medida em Joules (J). Para medir a energia térmica, são utilizadas calorias, 1 cal = 4,18 J, a energia elétrica é medida em kW * hora = 3,6 * 106 J, a energia mecânica é medida em kg * m, 1 kg * m = 9,8 J. A energia cinética é a resultado de uma mudança no estado de movimento dos corpos materiais. A energia potencial é o resultado de mudanças na posição das partes de um determinado sistema. A energia mecânica é a energia associada ao movimento de um objeto ou à sua posição, a capacidade de realizar trabalho mecânico. corrente tensão alternada

A energia elétrica é um dos tipos perfeitos de energia. Sua ampla utilização se deve aos seguintes fatores: Obtenção de grandes quantidades de recursos e fontes de água próximas à jazida; Possibilidade de transporte por longas distâncias com perdas relativamente pequenas; Capacidade de transformação em outros tipos de energia: mecânica, química, térmica, luminosa; Nenhuma poluição ambiental; A introdução de processos tecnológicos progressivos fundamentalmente novos com um alto grau de automação baseados em eletricidade.

Recentemente, devido a problemas ambientais, à escassez de combustíveis fósseis e à sua distribuição geográfica desigual, tornou-se conveniente gerar electricidade através de centrais eólicas, painéis solares e pequenos geradores de gás. A energia térmica é amplamente utilizada nas indústrias modernas e na vida cotidiana na forma de energia a vapor, água quente e produtos de combustão de combustíveis. Métodos de transformação de energia: A humanidade tem se esforçado desde o início de sua história para dominar a energia para seu próprio benefício. Estágios de “domínio” da energia: fogo, força muscular animal, energia eólica, energia hídrica, energia a vapor, eletricidade, energia nuclear. No Universo, os processos de conversão de energia de um tipo para outro ocorrem em grande escala. A humanidade está no início do caminho para a compreensão desses processos. A lei da conservação da energia - a energia não é criada nem destruída, ela passa de um tipo para outro. Há uma distinção entre a energia do movimento ordenado (livre - mecânico, químico, elétrico, eletromagnético, nuclear) e a energia do movimento caótico - calor. Atualmente, não existem formas de converter diretamente a energia nuclear em energia elétrica e mecânica; é necessário primeiro passar pela etapa de conversão de energia em energia térmica e depois em energia mecânica e elétrica. A conversão de energia primária em energia secundária é realizada nas estações:

· Numa central térmica UTE - térmica;

· Centrais hidroeléctricas – mecânicas (energia do movimento da água);

· Central reversível - mecânica (energia de movimentação de água pré-abastecida em reservatório artificial);

· Central nuclear NPP - nuclear (energia de combustível nuclear);

· Central de energia maremotriz TES - marés. Na República da Bielorrússia, mais de 95% da energia é gerada em centrais térmicas, que, de acordo com a sua finalidade, se dividem em dois tipos:

1. As centrais termelétricas de condensação IES são projetadas para gerar apenas energia elétrica;

2. Centrais combinadas de calor e energia (CHP), onde é realizada a produção combinada de energia elétrica e térmica. Métodos de obtenção e conversão de energia. A energia mecânica é convertida em energia térmica - por fricção, em energia química - pela destruição da estrutura de uma substância, compressão, em energia elétrica - pela alteração do campo eletromagnético do gerador. A energia térmica é convertida em energia química, em energia cinética de movimento, e esta - em mecânica (turbina), em elétrica (fem térmica). A energia química pode ser convertida em mecânica (explosão), em térmica (calor de reação), em energia térmica (calor de reação). elétrica (baterias).

1 . Métodos para converter vários tipos de energias

1.1 Tipos de conversão de energia elétrica

Questões relacionadas à transformação da energia elétrica de um tipo para outro são tratadas no campo da ciência e tecnologia, denominada tecnologia de conversores (ou eletrônica de energia). Os principais tipos de conversão de energia elétrica incluem:

1. Retificação CA - conversão de corrente alternada (geralmente frequência industrial) em corrente contínua. Este tipo de conversão tem sido o que mais se desenvolve, pois alguns consumidores de energia elétrica só podem operar em corrente contínua (instalações eletroquímicas e eletrometalúrgicas, linhas de transmissão de corrente contínua, banhos de eletrólise, baterias recarregáveis, equipamentos de rádio, etc.), enquanto outros consumidores têm DC tem melhor desempenho que AC (motores variáveis).

2. Inversão de corrente - conversão de corrente contínua em corrente alternada. O inversor é utilizado nos casos em que a fonte de energia gera corrente contínua (geradores de corrente contínua de máquinas elétricas, baterias e outras fontes de corrente química, painéis solares, geradores magnetohidrodinâmicos, etc.), e os consumidores necessitam de energia em corrente alternada. Em alguns casos, a inversão de corrente é necessária para outros tipos de conversão de energia elétrica (conversão de frequência, conversão do número de fases).

3. Conversão de frequência - conversão de corrente alternada de uma frequência (geralmente 50 Hz) em corrente alternada de outra frequência. Tal conversão é necessária para alimentar inversores de velocidade variável, aquecimento por indução e usinas de fusão de metais, dispositivos ultrassônicos, etc.

4. Conversão do número de fases. Em vários casos, há necessidade de converter a corrente trifásica em monofásica (por exemplo, para alimentar fornos elétricos a arco) ou, inversamente, monofásica em trifásica. Assim, o transporte eletrificado utiliza uma rede de contatos de corrente alternada monofásica, enquanto as locomotivas elétricas utilizam máquinas auxiliares de corrente trifásica. Na indústria, são utilizados conversores de frequência trifásicos-monofásicos com acoplamento direto, nos quais, além da conversão da frequência industrial para uma inferior, a tensão trifásica também é convertida para monofásica.

3. Conversão de corrente contínua de uma tensão em corrente contínua de outra tensão (conversão CC). Tal conversão é necessária, por exemplo, em vários objetos em movimento onde a fonte de eletricidade é uma bateria ou outra fonte de corrente contínua de baixa tensão, e uma tensão contínua mais alta é necessária para alimentar os consumidores (por exemplo, fontes de alimentação para rádio equipamentos de engenharia ou eletrônicos).

Existem alguns outros tipos de conversão de energia elétrica (por exemplo, a formação de uma curva específica de tensão alternada), em particular, a formação de poderosos pulsos de corrente, que são utilizados em instalações especiais, e a conversão controlada de tensão alternada. Todos os tipos de transformações são realizados usando elementos-chave de energia. Os principais tipos de chaves semicondutoras são diodos, transistores bipolares de potência, tiristores, tiristores de desligamento e transistores controlados por campo.

Os conversores baseados em tiristores são geralmente divididos em dois grupos: acionados e autônomos. Na primeira, uma transição periódica de corrente de uma válvula para outra (comutação de corrente) é realizada sob a influência de uma tensão alternada de alguma fonte externa. Se tal fonte for uma rede de corrente alternada, falamos de um conversor acionado por rede. Esses conversores incluem: retificadores, inversores acionados por rede (dependentes), conversores diretos de frequência, conversores de número de fase, conversores de tensão CA. Se a fonte de tensão externa que fornece comutação for uma máquina CA (por exemplo, um gerador ou motor síncrono), o conversor será chamado de máquina acionada.

Os conversores autônomos executam as funções de conversão de forma ou regulação de tensão (corrente), alterando o estado dos elementos-chave de energia controlados sob a influência de sinais de controle. Os conversores autônomos incluem reguladores de tensão CC e CA pulsados, alguns tipos de inversores de tensão.

Tradicionalmente, os conversores de válvula de potência têm sido utilizados para obter tensão retificada de redes industriais com frequência de 50 Hz e para obter tensão alternada (monofásica ou trifásica) quando alimentada por uma fonte de tensão contínua. Para estes conversores (retificadores e inversores) são utilizados diodos e tiristores, comutados com a frequência da rede. A forma da tensão e corrente de saída é determinada pela parte linear do circuito e pela modulação de fase do ângulo de controle.

A retificação e a inversão continuam a ser o principal método de conversão de energia elétrica, no entanto, os métodos de conversão sofreram alterações significativas e as suas variedades tornaram-se muito mais numerosas.

O surgimento de novos tipos de válvulas semicondutoras de potência, próximas do elemento-chave controlado ideal, mudou significativamente a abordagem para a construção de conversores de válvula. Tiristores de desligamento (GTO - tiristor de desligamento de porta) e transistores bipolares de porta isolada (IGBT - transistor bipolar de porta isolada), que se espalharam nos últimos anos, cobrem com sucesso a faixa de potência de até centenas e milhares de quilowatts, sua dinâmica as propriedades são continuamente melhoradas e o custo é o crescimento da produção diminui. Portanto, eles substituíram com sucesso os tiristores convencionais por unidades de comutação forçada. As áreas de aplicação de conversores de tensão pulsada com novas classes de dispositivos também se expandiram. Reguladores de comutação poderosos estão sendo desenvolvidos rapidamente para aumentar e diminuir as tensões de alimentação CC; conversores de pulso são frequentemente usados ​​em sistemas de reciclagem de energia de fontes renováveis ​​(vento, radiação solar).

Estão a ser feitos grandes investimentos na produção de energia através de tecnologias de poupança de energia, onde fontes primárias renováveis ​​são utilizadas quer para devolver energia à rede, quer para recarregar o dispositivo de armazenamento (bateria) em instalações com maior fiabilidade no fornecimento de energia. Novas classes de conversores para acionamentos elétricos com motores de relutância comutada (SRD - switching relutance drive) estão surgindo. Esses conversores são chaves multicanais (o número de canais geralmente é de três a oito) que fornecem conexão alternada dos enrolamentos do estator do motor com frequência e tensão ajustáveis. Os conversores de impulsos estão a tornar-se difundidos em fontes de alimentação para equipamentos domésticos, carregadores, unidades de soldadura e numa série de novas aplicações (reatores para instalações de iluminação, precipitadores eletrostáticos, etc.).

Além de melhorar a base de elementos dos circuitos de conversão de energia, o desenvolvimento de dispositivos microcontroladores e métodos de processamento digital de informações teve um enorme impacto na estratégia de resolução de problemas de circuitos.

1.2 Exposição a várias fontesimpacto energético no meio ambiente

A combustão de combustíveis não é apenas a principal fonte de energia, mas também o mais importante fornecedor de poluentes ao meio ambiente. As centrais térmicas são as mais “responsáveis” pelo aumento do efeito estufa e da precipitação ácida. Eles, juntamente com os transportes, abastecem a atmosfera com a maior parte do carbono tecnogênico (principalmente na forma de CO), cerca de 50% de dióxido de enxofre, 35% de óxidos de nitrogênio e cerca de 35% de poeira. Há evidências de que as usinas termelétricas poluem o meio ambiente com substâncias radioativas 2 a 4 vezes mais do que as usinas nucleares da mesma potência. As emissões das usinas termelétricas contêm uma quantidade significativa de metais e seus compostos. Quando convertidas para doses letais, as emissões anuais das centrais térmicas com capacidade de 1 milhão de kW contêm mais de 100 milhões de doses de alumínio e seus compostos, 400 milhões de doses de ferro e 1,5 milhões de doses de magnésio. O efeito letal desses poluentes não ocorre apenas porque eles entram no organismo em pequenas quantidades. Isto, no entanto, não exclui o seu impacto negativo através da água, do solo e de outras partes dos ecossistemas. Pode-se considerar que a energia térmica tem um impacto negativo em quase todos os elementos do meio ambiente, bem como nos seres humanos, outros organismos e suas comunidades. Ao mesmo tempo, o impacto da energia no ambiente e nos seus habitantes depende em grande parte do tipo de transportadores de energia (combustível) utilizados. O combustível mais limpo é o gás natural, seguido pelo petróleo (óleo combustível), carvão, lenhite, xisto e turfa. Embora actualmente uma parte significativa da electricidade seja produzida a partir de combustíveis relativamente limpos (gás, petróleo), existe uma tendência natural para a sua parte diminuir. De acordo com as previsões disponíveis, estas fontes de energia perderão a sua importância dominante no primeiro quartel do século XXI. Aqui é apropriado relembrar a declaração de D.I. Mendeleev sobre a inadmissibilidade do uso de petróleo como combustível: “petróleo não é combustível - você pode afogá-lo com notas”. A possibilidade de um aumento significativo no balanço energético global da utilização do carvão não pode ser descartada. De acordo com os cálculos existentes, as reservas de carvão são tais que podem satisfazer as necessidades globais de energia durante 200-300 anos. A possível produção de carvão, tendo em conta as reservas comprovadas e previstas, é estimada em mais de 7 biliões de toneladas. Além disso, mais de 1/3 das reservas mundiais de carvão estão localizadas na Rússia. Portanto, é natural esperar um aumento na participação do carvão ou dos seus produtos processados ​​(por exemplo, gás) na produção de energia e, consequentemente, na poluição ambiental. O carvão contém de 0,2 a dezenas de por cento de enxofre, principalmente na forma de pirita, sulfato ferroso e gesso. Os métodos disponíveis para captura de enxofre durante a combustão de combustíveis nem sempre são utilizados devido à sua complexidade e alto custo. Portanto, uma quantidade significativa dele entra e, aparentemente, entrará no meio ambiente num futuro próximo. Graves problemas ambientais estão associados aos resíduos sólidos das usinas termelétricas - cinzas e escórias. Embora a maior parte das cinzas seja capturada por vários filtros, cerca de 250 milhões de toneladas de aerossóis finos são liberados anualmente na atmosfera na forma de emissões de usinas termelétricas.

Estes últimos são capazes de alterar significativamente o equilíbrio da radiação solar na superfície terrestre. São também núcleos de condensação de vapor d'água e formação de precipitação e, quando entram nos órgãos respiratórios de humanos e outros organismos, causam diversas doenças respiratórias. As usinas termelétricas são uma fonte significativa de água aquecida, que é usada aqui como agente de resfriamento. Estas águas acabam frequentemente nos rios e outras massas de água, causando a sua poluição térmica e as consequentes reações em cadeia naturais (proliferação de algas, perda de oxigénio, morte de organismos aquáticos, transformação de ecossistemas tipicamente aquáticos em pântanos, etc.).

Até recentemente, a energia nuclear era considerada a mais promissora. Isto deve-se tanto às reservas relativamente grandes de combustível nuclear como ao seu impacto suave no ambiente. As vantagens incluem também a possibilidade de construção de usinas nucleares sem estar vinculada a jazidas de recursos, já que seu transporte não exige custos significativos devido aos pequenos volumes. Basta notar que 0,5 kg de combustível nuclear permite obter a mesma quantidade de energia que a queima de 1.000 toneladas de carvão. Até meados dos anos 80, a humanidade via a energia nuclear como uma das saídas para o impasse energético. Em apenas 20 anos (de meados dos anos 60 a meados dos anos 80), a quota global de energia produzida pelas centrais nucleares aumentou de quase zero para 15-17%, e em vários países tornou-se predominante. Nenhum outro tipo de energia teve tais taxas de crescimento. Até recentemente, os principais problemas ambientais das centrais nucleares estavam associados à eliminação do combustível irradiado, bem como à liquidação das próprias centrais nucleares após o fim da sua vida útil admissível. Há evidências de que o custo dessas obras de liquidação varia de 1/6 a 1/3 do custo das próprias usinas nucleares. Alguns parâmetros do impacto das usinas nucleares e termelétricas no meio ambiente são apresentados na Tabela 8.3. Durante a operação normal de uma usina nuclear, as emissões de elementos radioativos para o meio ambiente são extremamente insignificantes. Em média, são 2 a 4 vezes menos do que em usinas termelétricas de mesma potência. Em maio de 1986, 400 unidades de energia operando no mundo e fornecendo mais de 17% de eletricidade aumentaram a radioatividade natural de fundo em não mais que 0,02%. Antes do desastre de Chernobyl no nosso país, nenhuma indústria apresentava um nível de lesões profissionais inferior ao das centrais nucleares. 30 anos antes da tragédia, 17 pessoas morreram em acidentes e, depois, por motivos não relacionados à radiação. A partir de 1986, o principal perigo ambiental das usinas nucleares passou a estar associado à possibilidade de acidentes. Embora a sua probabilidade nas centrais nucleares modernas seja pequena, não pode ser descartada. O maior acidente deste tipo foi o que aconteceu na quarta unidade da central nuclear de Chernobyl. O resultado inevitável da operação da usina nuclear é a poluição das águas termais. Por unidade de energia recebida aqui é 2 a 2,5 vezes maior do que nas usinas termelétricas, onde muito mais calor é liberado na atmosfera. A produção de 1 milhão de kW de eletricidade em usinas termelétricas produz 1,5 km 3 de água aquecida em uma usina nuclear da mesma potência, o volume de água aquecida chega a 3-3,5 km 3. Consequência de grandes perdas de calor em usinas nucleares; usinas de energia é sua menor eficiência em comparação com a TPP. Nestes últimos é de 35-40% e nas centrais nucleares é de apenas 30-31%. De forma geral, podemos citar os seguintes impactos das usinas nucleares no meio ambiente: - destruição de ecossistemas e seus elementos (solos, solos, aquíferos, etc.) em locais de mineração de minério (especialmente com o método aberto); - apreensão de terrenos para a construção das próprias usinas nucleares. Áreas particularmente grandes são alienadas para a construção de estruturas de abastecimento, drenagem e resfriamento de água aquecida. Uma usina de 1.000 MW requer uma lagoa de resfriamento com uma área de cerca de 800-900 hectares. As lagoas podem ser substituídas por torres de resfriamento gigantes com diâmetro na base de 100-120 m e altura igual a um prédio de 40 andares; - retirada de volumes significativos de água de diversas fontes e lançamento de água aquecida. Se estas águas entrarem nos rios e outras fontes, sofrem uma perda de oxigénio, a probabilidade de floração aumenta e os fenómenos de stress térmico nos organismos aquáticos aumentam; - não se pode excluir a contaminação radioativa da atmosfera, da água e do solo durante a extração e transporte de matérias-primas, bem como durante o funcionamento de centrais nucleares, armazenamento e processamento de resíduos e sua eliminação. Campos eletromagnéticos (EM) de correntes de frequência industrial, os locais mais perigosos são as subestações transformadoras, sob linhas de energia de alta tensão. A intensidade da radiação é proporcional à quarta potência da frequência de oscilações do campo eletromagnético. A ação do campo EM causa disfunção dos sistemas nervoso e cardiovascular e altera a pressão arterial.

2. Métodosobtenção de energia elétrica

2.1 Usinas

Central eléctrica - central eléctrica, conjunto de instalações, equipamentos e aparelhos utilizados directamente para a produção de energia eléctrica, bem como as estruturas e edifícios necessários para tal, localizados num determinado território. A maioria das usinas, sejam hidrelétricas, termelétricas (usinas nucleares, termelétricas e outras) ou eólicas, utilizam a energia rotacional do eixo do gerador para seu funcionamento.

1. Usina nuclear

2. Usina termelétrica

3. Usina de ondas

4. Usina geotérmica

5. Usina de energia das marés

6. Usina hidrelétrica reversível

Nuclearestação de energia

Usina nuclearnação(NPP) - uma instalação nuclear de produção de energia em modos e condições de uso especificados, localizada dentro do território definido pelo projeto, na qual um reator nuclear (reatores) e um complexo de sistemas, dispositivos, equipamentos e estruturas necessários com para o efeito são utilizados os trabalhadores (pessoal) necessários), destinados à produção de energia elétrica. Na segunda metade da década de 40, antes mesmo da conclusão dos trabalhos de criação da primeira bomba atômica soviética (seu teste ocorreu em 29 de agosto de 1949), os cientistas soviéticos começaram a desenvolver os primeiros projetos de uso pacífico da energia atômica, cuja direção geral imediatamente se tornou energia elétrica. Em 1948, por sugestão de I.V. Kurchatov e de acordo com as instruções do partido e do governo, iniciaram-se os primeiros trabalhos sobre o uso prático da energia atômica para geração de eletricidade. Em maio de 1950, perto da vila de Obninskoye, região de Kaluga, começaram os trabalhos de construção da primeira usina nuclear do mundo. Em 1950, o reator EBR-I foi criado nos EUA, perto da cidade de Arco, Idaho. Durante um experimento em 20 de dezembro de 1951, este reator gerou 800 W de eletricidade utilizável. Depois disso, a potência do reator foi aumentada para fornecer eletricidade à estação onde o reator estava localizado. Isso dá o direito de chamar esta estação de primeira usina nuclear experimental, mas não estava conectada à rede de energia.

Térmicoestação de energia

Usina termelétrica é uma usina que gera energia elétrica convertendo a energia química do combustível em energia mecânica de rotação do eixo do gerador elétrico.

(TPP), usina na qual, a partir da queima de combustível orgânico, é obtida energia térmica, que é posteriormente convertida em energia elétrica. As centrais térmicas são o principal tipo de central eléctrica; a percentagem de electricidade que geram nos países industrializados é de 70-80% (na Rússia em 2000, cerca de 67%). A energia térmica nas usinas termelétricas é usada para aquecer água e produzir vapor (nas usinas com turbinas a vapor) ou para produzir gases quentes (nas usinas com turbinas a gás). Para produzir calor, combustível orgânico é queimado em caldeiras de usinas termelétricas.

Estação de energia das ondas

Usina de ondas é uma usina localizada em ambiente aquático que tem como objetivo gerar eletricidade a partir da energia cinética das ondas. O potencial das ondas é estimado em mais de 2 milhões de MW. Os locais com maior potencial para a energia das ondas são a costa oeste da Europa, a costa norte da Grã-Bretanha e a costa do Pacífico da América do Norte, do Sul, da Austrália e da Nova Zelândia, e a costa da África do Sul.

A primeira central eléctrica das ondas está localizada na região de Agusadora, Portugal, a uma distância de 5 quilómetros da costa. Foi inaugurado oficialmente no dia 23 de setembro de 2008 pelo Ministro da Economia português. A usina tem capacidade de 2,25 MW, o suficiente para abastecer cerca de 1.600 residências com energia elétrica. Inicialmente foi assumido que a estação entraria em operação em 2006, mas a implantação da usina ocorreu 2 anos depois do planejado. O projecto da central é propriedade da empresa escocesa Pelamis Wave Power, que em 2005 celebrou um contrato com a energética portuguesa Enersis para a construção de uma central de energia das ondas em Portugal. O valor do contrato foi de 8 milhões de euros.

Usina geotérmica

Usina geotérmica (GeoPP ou GeoTES) é um tipo de usina que gera energia elétrica a partir da energia térmica de fontes subterrâneas (por exemplo, gêiseres).

A energia geotérmica é a energia obtida a partir do calor natural da Terra. Este calor pode ser obtido por meio de poços. O gradiente geotérmico no poço aumenta 1 °C a cada 36 metros. Este calor é entregue à superfície na forma de vapor ou água quente. Este calor pode ser utilizado tanto diretamente para aquecimento de casas e edifícios, como para geração de eletricidade. Regiões térmicas são encontradas em muitas partes do mundo. De acordo com várias estimativas, a temperatura no centro da Terra é de pelo menos 6.650 °C. A taxa de resfriamento da Terra é de aproximadamente 300-350°C por bilhão de anos. A Terra emite 42.1012 W de calor, dos quais 2% são absorvidos na crosta e 98% no manto e no núcleo. As tecnologias modernas não nos permitem atingir o calor que é libertado muito profundamente, mas 840 milhões de W (2%) de energia geotérmica disponível podem satisfazer as necessidades da humanidade durante muito tempo. As áreas ao redor das bordas das placas continentais são os melhores locais para construir usinas geotérmicas porque a crosta nessas áreas é muito mais fina.

Maréestação de energia

Uma usina de energia das marés (TPP) é um tipo especial de usina hidrelétrica que utiliza a energia das marés e, de fato, a energia cinética da rotação da Terra. As usinas de energia das marés são construídas nas margens dos mares, onde as forças gravitacionais da Lua e do Sol alteram o nível da água duas vezes por dia. As flutuações no nível da água perto da costa podem chegar a 18 metros.

Para obter energia, a baía ou foz do rio é bloqueada por uma barragem na qual estão instaladas unidades hidráulicas, que podem funcionar tanto em modo gerador quanto em modo bomba (para bombear água para o reservatório para posterior funcionamento na ausência de marés). Neste último caso, são chamadas de usinas hidrelétricas reversíveis. Existe a opinião de que o funcionamento das usinas maremotrizes retarda a rotação da Terra, o que pode levar a consequências ambientais negativas. Porém, devido à massa colossal da Terra, a energia cinética de sua rotação (~1029 J) é tão grande que a operação de estações maregráficas com capacidade total de 1000 GW aumentará a duração do dia em apenas ~10? 14 segundos por ano, o que é 9 ordens de magnitude menor que a frenagem natural das marés (~2 ·10–5 s por ano).

Armazenamento bombeadoestação de energia

O PSPP utiliza em sua operação um complexo de geradores e bombas, ou unidades hidrelétricas reversíveis, capazes de operar tanto no modo gerador quanto no modo bomba. Durante uma queda noturna no consumo de energia, a usina hidrelétrica reversível recebe eletricidade barata da rede elétrica e a utiliza para bombear água para a piscina superior (modo de bombeamento). Durante os picos de consumo de energia da manhã e da noite, o PSPP descarrega água de montante para jusante, gerando eletricidade de pico dispendiosa, que envia para a rede elétrica (modo gerador). Em grandes sistemas de energia, uma grande parte pode ser compensada. da capacidade das centrais térmicas e nucleares, que não conseguem reduzir rapidamente a produção de electricidade quando o consumo de energia diminui à noite, ou o fazem com grandes perdas. Este facto leva ao estabelecimento de um custo comercial significativamente superior da eletricidade de pico no sistema elétrico, comparativamente ao custo da eletricidade gerada no período noturno. Nessas condições, a utilização de centrais eléctricas reversíveis é rentável e aumenta tanto a eficiência da utilização de outras capacidades (incluindo as de transporte) como a fiabilidade do fornecimento de energia.

Conclusão

A energia elétrica é gerada em usinas e transmitida aos consumidores principalmente na forma de corrente alternada trifásica com frequência industrial de 50 Hz. No entanto, tanto na indústria como nos transportes existem instalações para as quais a corrente alternada com frequência de 50 Hz é inadequada.

Questões relacionadas à transformação da energia elétrica de um tipo para outro são tratadas no campo da ciência e tecnologia, denominada tecnologia de conversores (ou eletrônica de energia).

Energia, da palavra grega energeia – atividade ou ação, é uma medida geral de vários tipos de movimento e interação. Nas ciências naturais, distinguem-se os seguintes tipos de energia: mecânica, térmica, elétrica, química, magnética, eletromagnética, nuclear, gravitacional. A ciência moderna não exclui a existência de outros tipos de energia. A energia é medida em Joules (J).

Lista de usados ​​lliteratura

1. Manual do tecnólogo em engenharia mecânica. Em 2 volumes. SOU. Dalsky, A.G. Kosilova, R.K. Meshcheryakova, A.G. Suslova. -5ª ed., revisado. e adicional - M.: Mashinostroenie-1, 2001. -912 p.: il.

2. Anuriev V.I. Manual do projetista de engenharia mecânica: Em 3 volumes T. 1. - 8ª ed., revisado. e adicional Ed. EM. Difícil. - M.: Engenharia Mecânica, 2001. -920 p.: il.

3. Anuriev V.I. Manual do projetista de engenharia mecânica: Em 3 volumes T. 2. - 8ª ed., revisado. e adicional Ed. EM. Difícil. - M.: Engenharia Mecânica, 2001. -920 p.: il.

4. Dunaev P.F., Lelikov O.P. Partes da máquina. Desenho do curso: Proc. Um manual para engenharia mecânica. especialista. escolas técnicas. - M.: Mais alto. Shk., 1984. -336 p.: il.

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