Размещено на http://www.allbest.ru/

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

Конспект

По дисциплине «Основы энергосберегающих технологий»

Выполнил:

Зориктуев В.Ц.

Уфа 2018



1. Назовите основные этапы в истории использования энергии человеком, укажите их значение

Источником всей энергии на Земле является Солнце. В процессе фотосинтеза, являющегося основой жизни многих видов растений, живая природа потребляет лишь незначительную часть (около 40 ТВт) от общего количества исходящей от Солнца энергии (около 200000 ТВт). Использование энергии человечеством растет в геометрической профессии. В 1990 году оно составило около 12 ТВт, т. е. 30 % от ее общего количества, поглощаемого в процессе фотосинтеза.

Человек потребляет солнечную энергию различными путями, в том числе и с пищей. Еще в глубокой древности человек научился перерабатывать энергию Солнца путем сжигания биологической материи (например, древесины или навоза).

С крахом рабовладельческого строя кончилась эпоха «живой энергетики», и человечество должно было искать новые источники энергии.

люди обратили свои поиски к источникам, которые всегда были перед их глазами - к текущей воде и к ветру. Парусные суда, водяные колеса, мельницы, ветряные мельницы нашли применение уже в Древней Греции и в период Римской империи. Новый, феодальный строй вызвал к жизни и новую технику, основными энергетическими источниками становятся сила воды и ветра, более продуктивно используется сила животных, меняется энергетическая база производства: для приведения в движение самых разнообразных станков и механизмов широко используются водяные колеса. К середине XVIII в. водяные колеса распространились по всей Европе, вокруг них строятся фабрики, возникают города. Развивающаяся промышленность (ткацкая, металлургическая, горное дело, металлообрабатывающая) требовала все больше и больше энергии.

Великим изобретением, предоставившим человечеству необходимую энергию и возможность дальнейшего прогресса, стало изобретение паровой машины и ее распространение в XVIII в. Здесь нельзя не отметить заслуги нашего соотечественника - И. И. Ползунова. С изобретением паровой машины человек научился превращать в движение, в работу теплоту, запасенную в угле, дереве, торфе.

Однако серьезные недостатки паровых машин: низкий коэффициент полезного действия, большие размеры машины, необходимость подвоза топлива, сложный привод станков (передача движения от машины к станкам), большое количество выделяемой сажи - требовали искать другие, новые источники энергии, новые способы ее получения и преобразования.

Наступает век электричества. Открытие вольтовой дуги, электрического освещения русским электротехником В. В. Петровым положило начало практическому использованию электричества. В 1831 г. Майкл Фарадей изобрел электрогенератор, а за 10 лет до этого - электродвигатель. Электрические машины совершенствовались. Резкий рывок в их развитии:

- изобретение русским ученым М. О. Доливо-Добровольским нового типа машины - трехфазного асинхронного двигателя, работающего на переменном токе.

В начале - середине XX в. электрификация стала основным фактором увеличения производительности труда и условием повышения уровня благосостояния народа.

Последовательно сменяющиеся виды все более калорийных энергоносителей - дрова, уголь, нефть, газ и, наконец, ядерное топливо - это этапы прогресса, который, создавая блага для человечества, вместе с тем ухудшает экологическую среду, уменьшает предел экологической емкости среды обитания, что является глобальной энергетической проблемой.



2. Какова связь между развитием цивилизации человечества и энергопотреблением? Объясните характер их изменения во времени и укажите тенденции

На каждом новом этапе исторического развития усложнение хозяйственной деятельности человека неизбежно приводило к нехватке энергии, к противоречию между желаемым и возможным. Для преодоления противоречия необходимо было находить новые источники сил и энергии. Проблема энергии - одна из важнейших глобальных проблем, в решении которой заинтересованы все народы, все страны мира.

Первый в истории человечества энергетический кризис разразился во II тысячелетии до нашей эры. Тогда единственными источниками энергии были собственная сила человека и сила животных. Выход из этого кризиса был найден в использовании мускульной силы рабов. Развивались ремесла, техника: появились приспособления для увеличения «силовых» возможностей человека - блоки, рычаги, катки и т. п.

Встречались в те давние времена и с энергетическими проблемами, похожими на современные. Исследования археологов в древнем горнопромышленном и металлургическом центре Востока - Древнем Египте установили, что выплавка меди там внезапно прекратилась примерно за 1000 лет до нашей эры. Хотя до этого в течение 1000 лет не менее 1000 печей плавили металл, причем в качестве топлива использовали древесный уголь из стволов пальм, там произраставших. Когда пальмовые леса близ месторождения были вырублены, топлива стало не хватать - «локальный энергетический кризис» привел к прекращению производства металла.

К середине XVIII в. водяные колеса распространились по всей Европе, вокруг них строятся фабрики, возникают города. Развивающаяся промышленность (ткацкая, металлургическая, горное дело, металлообрабатывающая) требовала все больше и больше энергии.

В поисках возможных источников энергии люди настойчиво пытались создать машины, которые работали бы сами по себе - вечные двигатели. Навязчивая идея не умерла и до настоящего времени, хотя и развенчана наукой.

Существует тесная взаимосвязь между энергообеспечением, богатством государства и благосостоянием народа. Уровень развития общества определяется способом его энергообеспечения. По подсчетам академика А. Берга еще 100 лет назад 98 % потребляемой на Земле энергии приходилось на мускульную силу человека и животных. Энергия, вырабатываемая ветровыми мельницами, водяными колесами, паровыми и электрическими машинами, составляла лишь малую долю. В настоящее время в результате научно-технического прогресса почти всю тяжелую работу выполняют машины, а на мускульную силу людей приходится меньше 1 % энергии.

Пользование даровыми природными энергоресурсами (ветром и солнечным теплом) способствовало зарождению и становлению цивилизации. Последовательно сменяющиеся виды все более калорийных энергоносителей - дрова, уголь, нефть, газ и, наконец, ядерное топливо - это этапы прогресса, который, создавая блага для человечества, вместе с тем ухудшает экологическую среду, уменьшает предел экологической емкости среды обитания, что является глобальной энергетической проблемой.

3. Дайте определение понятию «энергия»

Как классифицируется энергия в естествознании в зависимости от ее природы?

Энергия - это способность тела или системы тел совершать работу.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды:

Механическая энергия -- проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах -- транспортных и технологических.

Тепловая энергия -- энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия -- энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).

Химическая энергия -- это энергия, "запасенная" в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.

Магнитная энергия -- энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии. Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как "оборотную" сторону другой.

Электромагнитная энергия -- это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия -- это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия -- энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного вида энергии - атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия -- энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, мо, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли - энергия силы тяжести.

4. Приведите классификацию видов энергии в зависимости от уровня проявления

В зависимости от уровня проявления, можно выделить :

-энергию макромира - гравитационную,

-энергию взаимодействия тел - механическую,

-энергию молекулярных взаимодействий - тепловую,

-энергию атомных взаимодействий - химическую,

- энергию излучения - электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов-ядерную.

5. Какие единицы измерения энергии Вы знаете

В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят 1 Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен 1 ньютон метр (Н м). Если расчеты связаны с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал = 4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт час (Вт ч, кВт ч, МВт ч), 1 Вт ч = 3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг м = 9,8 Дж.

6. Изобразите схему классификации первичной энергии

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе, называется первичной, а носители
первичной энергии называются первичными энергоресурсами.

Энергетические ресурсы - это материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, пригодная для практического использования человеком.

На рис. 1.2 представлена классификация первичной энергии. Выделены традиционные виды энергии, во все времена широко использовавшиеся человеком, и нетрадиционные виды энергии, сравнительно мало использовавшиеся до последнего времени в силу отсутствия экономичных способов их промышленного преобразования, но особо актуальные сегодня ввиду их высокой экологичности.

7. Дайте определение понятиям «невозобновляемые и возобновляемые энергоресурсы»

Различают невозобновляемые и возобновляемые виды энергии и, соответственно, невозобновляемые и возобновляемые энергоресурсы. Невозобновляемые энергоресурсы - это те, которые ранее были накоплены в природе и в новых геологических условиях практически не образуются, например, уголь, нефть, природный газ. Возобновляемые энергоресурсы - те, восстановление которых постоянно осуществляется в природе, например, энергия ветра, биотопливо, энергия морских волн и т. д

8. Какие виды энергетических ресурсов относят к невозобновляемым? Охарактеризуйте их

К невозобновляемым энергетическим ресурсам относят:

каменный уголь - обладают, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них - антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93 % состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью.

нефть - жидкие виды топлива получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300 ... 370°С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре:

- сжиженный газ (выход около 1 %);

- бензиновую (около 15%, tK =30 ... 180°С);

- керосиновую (около 17%, tK= 120 ... 135 °С);

- дизельную (около 18%, tK = 180 ... 350 °С).

Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 ... 350 °С называется мазутом.

природный газ- газообразное топливо. Добывается как непосредственно, так и попутно с добычей нефти, называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН4 и в небольшом количестве азот N2, высшие углеводороды СnНm, двуокись углерода СО2 . Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердых топлив, в большинстве стран практически вытеснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их производству и использованию.

уран- ядерное топливо . Об эффективности использования его показывает работа первого в мире атомного ледокола «Ленин» водоизмещением 19 тыс. т, длиной 134 м, шириной 23,6 м, высотой 16,1 м, осадкой 10,5 м, со скоростью 18 узлов (около 30 км/ч). Он был создан для проводки караванов судов по Северному морскому пути, толщина льда, по которому достигала 2 и более метров. В сутки он потреблял 260-310 граммов урана. Дизельному ледоколу для выполнения такого же объема работы, которую выполнял ледокол «Ленин», потребовалось бы 560 т дизтоплива.

9. Какие виды энергетических ресурсов относят к возобновляемым

Возобновляемые энергоресурсы - те, восстановление которых постоянно осуществляется в природе, например, энергия ветра, биотопливо, энергия морских волн и т. д.

10. Что такое качество энергоресурсов? Для чего введено понятие условного топлива

С понятием «качество энергии» непосредственно связано существо понятия «энергосбережение». С точки зрения 1 закона термодинамики, «энергосбережение» внутренне противоречиво. Сохранять энергию нет необходимости, это делает природа в соответствии с законом сохранения энергии. Сохранять нужно работоспособность энергии или эксергию, которая является мерилом качества - энергетической эффективности каждого вида энергии.

Итак, качество различных видов энергии оценивается эксергией - величиной, определяющей максимальную способность материи к совершению работы в таком процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей средой.

Для удобства сопоставления различных видов энергоресурсов и возможности расчетов расход всех видов топлива сравнивается с расходом так называемого условного топлива. За условное принято такое топливо, при сгорании 1 кг которого выделяется 29,3*106 Дж, или 7000 ккал энергии.

11. Опишите особенности электрической энергии по сравнению с другими видами. Каковы особенности электроэнергетики Республики Башкортостан

Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в повседневной жизни человека:

1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использована для самых различных целей. В частности, ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.

2. При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.

3. В производстве электрической энергии, наоборот, можно концентрировать ее мощность, увеличивать напряжение и передовать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любые количества электроэнергии с электростанций, где она вырабатывается, всем ее потребителям.

Энергетика Башкортостана -- отрасль экономики Республики Башкортостан. Установленная электрическая мощность всех генерирующих энергосистем республики составляет 4 295 МВт.

Отличительной особенностью энергетики Башкортостана является присутствие в республике практически всех видов выработки электроэнергии (ГРЭС, ТЭЦ, ГЭС в том числе малые и микро ГЭС, ВЭС, СЭС)

12. Каковы прогнозы развития мирового энергетического хозяйства

За последнее время было обнародовано достаточно много прогнозов развития мирового энергетического хозяйства в целом и отдельных его звеньев. Отдельные показатели этих прогнозов приведены в табл. 1.3. Мировые потребности в нефти и газовом конденсате, составившие в 1998 г. около 3,5 млрд т, увеличатся, согласно прогнозным оценкам МЭА, до 4,7 млрд т в 2010 г. и до 5,6 млрд т в 2020 г. При этом предполагается, что 42,0 % всех мировых потребностей в жидких топливах в 2020 г. будут обеспечены нефтью, добываемой ближневосточными странами-членами ОПЕК, тогда как в 1996 г. этот показатель был равен 23,9 %.

Особый интерес представляет прогноз развития добычи природного газа (рис. 1.4) и международной торговли им, крупнейшим экспортером которого в мире является Россия (табл. 1.4).

Мировая добыча природного газа, согласно прогнозу МЭА, в 2010 г. возрастет по сравнению с 1995 г. в 1,5 раза и к 2020 г. - в 1,9 раза. Среднегодовой прирост добычи газа в 1995- 2020 гг. составит 2,6 %.

Для обеспечения сбыта добываемого природного газа, согласно данным, опубликованным на 17-м конгрессе МИРЭС, к 1250 тыс. км магистральных газопроводов, существовавших в мире в 1995 г., к 2010 г. понадобится построить 350 тыс. км и за 2011-2015 гг. - еще 190 тыс. км.

В 2010 г. примерно 38 % всего используемого в мире газа будет израсходовано па производство электроэнергии, в 2020 г. 43 %.

По мнению МЭА, основная часть прироста потребности европейских стран-членов ОЭСР в природном газе будет покрываться за счет его импорта из России и Алжира. Газ Каспийского региона по своим экономическим показателям будет уступать российскому и алжирскому.





13. Чем представлены невозобновляемые энергетические ресурсы Республики Башкортостан

В Башкортостане имеются месторождения нефти (около 200 учтённых месторождений), природного газа(прогнозируемые запасы более 300 млрд мі), угля (около 10 месторождений, балансовые запасы до 0,5 млрдтонн).

14. Охарактеризуйте запасы древесины в Республике Башкортостан

Регион обладает значительными запасами лесных ресурсов. Общая площадь земель лесного фонда Башкортостана -- 6,2 млн га, в том числе покрытая лесом -- 5 млн га. Общие запасы древесины в лесах республики оцениваются в 717,9 млн куб. м.

15. Охарактеризуйте запасы нефти в Республике Башкортостан ресурсов чёрного золота в республике хватит как минимум ещё на 26 лет. В 2017 открыли четыре месторождения - Кипарисовое, Телекеевское, Абдукаевское и Анастасьинское. Суммарный прирост извлекаемых запасов нефти по ним - более 2,6 млн тонн.

4 новых открытых месторождения и 50 залежей - это только часть приращиваемых запасов. Львиная доля прироста была за счёт переоценки запасов действующих месторождений, внедрения новых технологий добычи, уточнения геологического строения залежей.

Залежи нефти распространены на всей территории республики, но наиболее крупные и многочисленные из них сосредоточены в нескольких нефтегазоносных районах:

-Туймазинско-Шкаповский (запад и юго-запад)

-Арланско-Кушнаренковский (Бирская седловина и часть Благовещенской впадины, северо-запад)

-Башкирский свод (север)

-Благовещенская впадина и юго-восток склона Южно-Татарского свода (центр, юг)

-район Предуральского прогиба (восток, юго-восток).

16. Охарактеризуйте запасы торфа в Республике Башкортостан

Башкирия богата торфяными залежами. Главные залежи торфа расположены в северных и северо-восточных районах республики. Небольшие залежи торфа имеются во всех районах. В большинстве случаев торф в Башкирии низинный луговой, сильно разложившийся, реакции его близки к нейтральной, зольность высокая

17. Охарактеризуйте запасы угля и горючих сланцев в Республике Башкортостан

Распространены месторождения бурого угля. Наибольшее значение в данном случае имеет Южно-Уральский бассейн, территория которого охватывает территорию части Башкортостана и Оренбургской области.

Запасы углей на территории республики составляют 252,7 млн тонн. Их добычу вело АО «Башкируголь» (закрыто в 1999 году). Максимум добычи приходился на 1975 год (9,4 млн тонн, с учётом добычи в Оренбургской области), в настоящее время она снизилась примерно до 3,5 млн тонн (в том числе 425 тысяч тонн собственно в Башкортостане) в связи с истощением запасов низкозольных углей.

В Башкортостане разведано 34 месторождения бурого угля, наиболее важными являются Бабаевское, Маячное, Куюргазинское, Южно-Куюргазинское и Кривлевское, их суммарные запасы составляют 25,4 % запасов Южно-Уральского бассейна.

В северо-западной части Башкортостана (Камский каменноугольный бассейн) вскрыто несколько пластов каменных углей мощностью до 20--25 м (прогнозные ресурсы около 20 млрд т).

В Приуралье в отложениях доманиковского горизонта франского яруса распространены горючие сланцы (Лемезинское месторождение). Ряд проявлений горючих сланцев обнаружен в отложениях верхнего карбона на юго-западной окраине Уфимского плато.

18. В чем суть энергетического кризиса 70-х годов в Западной Европе и 90-х годах в странах СНГ

До 70-х гг. экономика стран Западной Европы, США, Японии была практически целиком ориентирована на потребление нефти и газа. Сокращалась добыча каменного угля, закрывались шахты, придерживалось развитие атомной энергетики. Однобокое развитие энергетических ресурсов на фоне межгосударственной конкуренции меж-ду монополиями привело к острому энергетическому кризису в этих странах, на долю которых приходилось 92% потребления энергии. Кризис резко ускорил инфляцию, резко снизил темпы развития промышленности и оставил без работы миллионы рабочих.

В странах СНГ - недостатки социалистического хозяйствования, несмотря на ряд достоинств, отразились на структуре и способах развития топливноэнергетического комплекса. Гигантомания, высокая металло- и энергоемкость, чрезмерная централизация, директивность и авторитарность в развитии энергетики, игнорирование законов рыночной экономики неизбежно привели в 90-ые гг. к неудовлетворительным энергетическим показателям и неэнергоэффективности экономики в целом.

19. Охарактеризуйте эффективность использования и потребления энергии в различных странах и в Республике Башкортостан

В последние годы в регионе наблюдается увеличение дефицита электроэнергии. Если в 2011 году Башкортостан производил на 587 млн кВт·ч электроэнергии больше, чем потреблял, то в 2015 году потребление превысило производство на 4 372 млн кВт·ч. За этот же период Башкортостан сместился в рейтинге энергодефицитности с 20 на 57 место среди регионов России. Рост дефицита связан с увеличением потребления электроэнергии крупными предприятиями.

Активно используются : гидроэнергетика, ядерная, ветряная , солнечная присутствие в республике практически всех видов выработки электроэнергии (ГРЭС, ТЭЦ, ГЭС в том числе малые и микро ГЭС, ВЭС, СЭС)

Бурно развивающаяся экономика стран планеты Земля в XX веке требовали все больше затрат топливно-энергетических ресурсов. Добыча нефти, угля, газа с каждым годом возрастала. Эти источники казались неистощимыми. Разразившийся в 1973-1974 гг. нефтяной кризис заставил многие страны задуматься над использованием альтернативных источников энергии и экономным использованием топливно-энергетических ресурсов, что и обусловило повышение многими странами уровня самообеспечения энергоресурсами. Однако энергетическая проблема остается актуальной и в настоящее время практически для всех стран Европы, поскольку степень обеспеченности собственными ресурсами составляет в отдельных странах Европы 40-50 %.

20. Дайте определение понятию «топливно-энергетический комплекс»

ТЭК (энергетика) представляет собой сложную совокупность больших, непрерывно развивающихся производственных систем для получения, преобразования, распределения и использования природных энергетических ресурсов и энергии всех видов.

21. Каковы основные элементы технологического процесса ТЭК

Управление ТЭК может быть успешным при условии хорошего знания сути и особенностей управляемых объектов, и прежде всего технологических процессов. Основными элементами технологического процесса ТЭК являются:

-системы топливоснабжения;

-электроэнергетическая система, где осуществляется производство, транспорт и распределение электрической и тепловой энергии;

-конечные потребители энергии.

22. Какие три основные стадии включает технологический процесс преобразования природных энергетических ресурсов в ТЭК

Технологический процесс преобразования природных энергетических ресурсов в ТЭК включает три основные стадии :

1. Добыча первичных энергоресурсов (органического топлива, ядерного топлива, гидроэнергии), их облагораживание (сортировка, обогащение, брикетирование, обессеривание и т.д.) и переработка (нефтепереработка, коксование, пиролиз, синтез, гидрогенизация и др.) .

2. Преобразование одних видов энергии в другие - производство электрической энергии, пара, горячей воды, сжатого воздуха и др.

3. Конечное потребление энергии для производства всех видов неэнергетической продукции, работы транспорта, оказания производственных и культурно-бытовых услуг населению.

Блок 2

1. Назовите известные Вам станции преобразования первичной энергии во вторичную.

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указание на то, какой вид первичной энергии в какой вид вторичной преобразуется на них:

* ТЭС - тепловая электрическая станция преобразует тепловую энергию в электрическую;

* ГЭС - гидроэлектростанция преобразует механическую энергию движения воды в электрическую;

* ГАЭС - гидроаккумулирующая станция преобразует механическую энергию движения предварительно накопленной в искусственном водоеме воды в электрическую;

* АЭС - атомная электростанция преобразует атомную энергию ядерного топлива в электрическую;* ПЭС - приливная электростанция преобразует энергию приливов в электрическую, и т. д.

2. Изобразите тепловую схему ТЭС. Опишите принцип ее работы

Ее основное оборудование состоит из котла-парогенератора ПГ, турбины Т и генератора Г.

В котле при сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине Т водяной пар превращается в механическую энергию вращения. Генератор Г превращает энергию вращения в электрическую. Тепловая энергия для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины либо котла.

3. На какие циклы делится процесс производства электроэнергии на ТЭС?

Процесс производства электроэнергии на ТЭС условно можно paзделить на три цикла:

1. химический - горение, в результате которого внутренняя химическая энергия топлива превращается в тепловую и передается пару;

2. механический - тепловая энергия пара превращается в энергию вращения турбины и ротора турбогенератора;

3. электрический - механическая энергия превращается в электрическую.

4. Как ориентировочно оценить общий коэффициент полезного действия ТЭС?

Общий коэффициент полезного действия ТЭС равен произведению коэффициентов полезного действия всех названных циклов:

КПДТЭС ??КПДХИМ ??КПДМЕХ ??КПДЭЛ

Коэффициенты полезного действия химического и электрического циклов составляют около 90%. Коэффициент полезного действия идеального механического цикла определяется закономерностями цикла Карно:

где Т и Т* - соответственно температура пара на входе и выходе паровой турбины.

5. Изобразите тепловую схему АЭС. Опишите принцип ее работы.

Атомная электростанция (АЭС) по своей сути также является тепловой электростанцией и имеет ту же принципиальную схему (рис. 2.1). Однако вместо котла, где сжигается органическое топливо, используется ядерный реактор. Внутриядерная энергия превращается в тепловую энергию пара, которая затем - в механическую энергию вращения турбогенератора и в электрическую энергию. Наличие термодинамического цикла на АЭС ограничивает КПД этой станции, как и обычных тепловых станций. Недостаток АЭС заключается также в отсутствии маневренности: пуск и останов блоков и агрегатов этих станций требует значительных затрат времени и труда.



6. Опишите принцип работы ГЭС.

Теоретически КПД может достигать 90%. Значительно более высоким КПД, чем АЭС, обладают гидроэлектростанции (ГЭС) ввиду отсутствия на них термодинамического цикла (преобразования тепловой энергии в механическую). На ГЭС используется энергия рек. Путем сооружения плотины создается разность уровней воды. Вода, перетекая с верхнего уровня (бьефа) на нижний либо по специальным трубам - турбинным трубопроводам, либо по выполненным в теле плотины каналам, приобретает большую скорость. Струя воды поступает далее на лопасти гидротурбины.

Ротор гидротурбины приводится во вращение под воздействием центробежной силы струи воды. Таким образом, на ГЭС осуществляется преобразование: механическая энергия воды > электрическая энергия воды



7. Изобразите принципиальную схему ТЭС с ГТУ. Опишите принцип ее работы. КПД ГТУ составляет 27-28%

В ГТУ осуществляются следующие преобразования:

тепловая энергия газов > кинетическая энергия вращения ротора турбины > электрическая энергия

В камеру сгорания 1 подается жидкое или газообразное топливо и воздух. Образующиеся в ней газы 2 высокого давления при температуре 750-770°С направляются на рабочие лопатки турбины 3. Турбина 3 вращает электрический генератор 4, вырабатывающий электрическую энергию, и компрессор 5, служащий для подачи под давлением воздуха 6 в камеру сгорания. Сжатый в компрессоре 5 воздух 6 перед подачей в камеру сгорания 1 подогревается в регенераторе 7 отмотанными в турбине горючими газами 8. Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания топлива в камере сгорания.

8. Изобразите принципиальную схему ТЭС с парогазовой установкой. Опишите принцип ее работы.

Парогазовые установки - совмещение газотурбинных и паротурбинных агрегатов. Они являются высокоманевренными и служат для покрытия пиковых нагрузок в энергосистеме.

Парогазовая установка является бинарной, так как в ней используются два рабочих тела: пар и газ. Принципиальная схема ТЭС с парогазовой установкой приведена на рис. 2.4.

На ней обозначены: 1 - парогенератор, 2 - компрессор, 3 - газовая турбина. 4 - генератор, 5 - паровая турбина, 6 - конденсатор, 7 - насос, 8 - экономайзер. Экономайзер позволяет отработанные в турбине газы использовать для подогрева питательной воды, что даст возможность уменьшить расход топлива и повысить КПД до 44%. На рис. 2.5 представлена еще одна возможная схема ТЭС с парогазовой установкой - с выбросом отработанных газов в паровой котел. Здесь 8 - камера сгорания.

9. Дайте определение понятию «график нагрузки». Перечислите важнейшие цели энергетического менеджмента.

График нагрузки - это зависимость потребляемой мощности от времени суток, месяца, года. Графики нагрузки существенно отличаются для воскресных и рабочих дней, для зимних и летних месяцев и т.п. Графики нагрузки отдельных потребителей и в целом энергосистемы имеют неравномерный характер.

Важнейшие цели энергетического менеджмента:

- обеспечение графиков нагрузки,

- выравнивание национальной кривой нагрузки.

Обеспечить график нагрузки означает организовать бесперебойную подачу электроэнергии в часы максимального потребления при дефиците мощности в энергосистеме, а в часы минимума потребления энергии не допускать разгрузки той части генерирующего оборудования. Решение задачи выравнивания национальной кривой нагрузки связано с разработкой и реализацией политики управления спросом на энергию, т. е. управления энергопотреблением.

10. Перечислите известные Вам механические системы аккумулирования энергии.

Опишите принцип их действия.

Механические системы аккумулирования энергии. К ним относят: гидро- и газоаккумулирующие станции, маховые колеса.

Когда электрическая нагрузка в ЭС минимальна, вода из нижнего водохранилища перекачивается в верхнее, при этом потребляется электроэнергия из системы, т.е. ГАЭС работает в двигательном режиме. В режиме непродолжительных пиков - максимумов нагрузки ГАЭС работает в генераторном режиме и, расходуя запасенную в верхнем водохранилище воду, выдаст электроэнергию в ЭС.

Супермаховик - это маховое колесо, которое можно разгонять до очень высокой скорости вращения, не боясь его разрыва. Запасаемая им энергия - это кинетическая энергия вращения самого колеса. Маховик соединен с валом генератора и помещен в герметичный корпус, где для уменьшения потерь от трения поддерживается вакуум. Устройство работает как генератор, когда возрастает потребление энергии в ЭС, и как электродвигатель, когда энергию целесообразно аккумулировать.

11. Перечислите известные Вам электрические системы аккумулирования энергии.

Опишите принцип их действия.

К электрическим ситемам относят электростатические и индуктивные системы.

Электростатическая система (рис. 2.9) - емкостный накопитель принципиально представляет собой электрический конденсатор, помещенный в вакуум. При подключении его к внешнему источнику тока осуществляется заряда конденсатора благодаря ориентации, смещению диполей диэлектрика и созданию разности потенциалов
между пластинами конденсатора. Энергия аккумулируется в форме энергии однородного электрического поля конденсатора. После отключения внешнего источника конденсатор остается заряженным в течение значительного времени. Скорость утечки заряда определяется состоянием изоляции При замыкании конденсатора на потребителя запасенная энергия выдастся во внешнюю электрическую цепь.

Индуктивная система (рис. 2.10) конструктивно представляется катушкой индуктивности (соленоидом) с полым сердечником. При подсоединении ее к внешнему источнику в цепи протекает постоянный ток, создающий внутри и вокруг катушки постоянное магнитное поле. Электрическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. После отключения внешнего источника магнитное поле исчезает, а накопленная энергия поступает обратно в электрическую цепь.

12. Перечислите известные Вам химические системы аккумулирования энергии. Опишите принцип их действия.

Химические системы аккумулирования энергии предполагают накопление химической энергии в форме энергии связи электронов с ядрами в атомах или связи атомов в молекулах. Пример химического механизма аккумулирования энергии - реакция, происходящая у электродов электрических батарей - электрохимических аккумуляторов.

Батарея заряжается путем питания электрической энергией от внешнего источника, которая в электрохимических элементах преобразуется в химическую энергию. При подключении электрической батареи на внешнюю нагрузку (потребителя) она снова выдает электрическую энергию. Таким образом, электрохимический аккумулятор работает в режиме «заряд-разряд».

Принципиальная схема электрохимического элемента показана на рис. 2.11. В электролит - слабо концентрированную серную кислоту H2SO4 погружены анод из пористого свинца Рb, служащий топливом и отдающий электроны, и катод - набор сеток, заполненные перекисью свинца РbО2, на котором происходит восстановление (поглощение) электронов с веществом окислителем. Реакции, протекающие в электрохимическом элементе в режиме разряда при подключении на внешнюю нагрузку, имеют вид:

* на аноде - Рb -2е + SO4-2 = Pb SO4,

* на катоде - РbО2 + 2е + 4Н+ + SO4-2 = PbSO4 + 2Н2О.

Аккумулятор работает, пока оба электрода не покроются сульфатом свинца PbSO4. Восстановление аккумулятора осуществляется его зарядкой путем подключения к внешнему источнику напряжения.

13. Перечислите известные Вам системы аккумулирования тепловой энергии. Опишите принцип их действия.

Различают две группы устройств накопления тепловой энергии.

В первой группе происходит аккумулирование явной теплоты. Ее накапливание осуществляется путем нагревания рабочего тела аккумулятора - большой массы какого-либо вещества, термически изолированного от внешней среды. Тот же принцип применяется для накопления холода: резервуар с рабочим телом охлаждается с помощью холодильной установки в ночное время, во время провала нагрузки энергосистемы.

Во второй группе устройств накопление тепловой энергии происходит путем аккумулирования скрытой теплоты. Это осуществляется в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое: из твердого в жидкое, из жидкого в парообразное. Передача тепла потребителю от аккумуляторов первой группы происходит за счет охлаждения рабочего тела и понижения его температуры, а от аккумуляторов второй группы - путем возвращения рабочего тела в первоначальное агрегатное состояние.

14. Опишите известные Вам способы прямого преобразование тепловой энергии в электрическую.

Известные способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую подразделяются на три вида:

* магнитогидродинамические,

* термоэлектрические,

* термоэмиссионные.

Сущность МГД-метода заключается в следующем.

В результате сжигания органического топлива, например, природного газа, образуются продукты сгорания. Их температура должна быть не ниже 2500 °С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Это означает, что происходит его ионизация. Плазма при такой относительно низкой температуре (низкотемпературная плазма) ионизирована лишь частично. Она состоит не только из продуктов ионизации - электрически заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов, но и из сохранившихся целыми, еще не подвергшихся ионизации молекул. Для того чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность при температуре около 2500 °С, к ней добавляют присадку - легкоионизирующееся вещество (натрий, калий или цезий). Ее пары ионизируются при более низкой температуре.

Термоэлектрический генератор ТЭГ. Работа ТЭГ основана на известном в физике эффекте Зеебека (1821 г.). Его сущность заключается в том, что в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов (термопар).

Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП). Работа ТЭП основана на открытом Т. Эдисоном в 1883 г. явлении термоэлектронной эмиссии: если какое-либо твердое тело (металл, полупроводник) поместить в вакуум, то известное количество электронов этого тела перейдет в вакуум. Твердое тело называется эмиттером. Эмиссия электронов тем больше, чем выше температура эмиттера. Если поместить в вакуум два тела - два электрода, причем к одному из них (электроду эмиттеру) подводить тепло и поддерживать его при более высокой температуре, а от второго (электрода-коллектора) тепло отводить, чтобы его температура оставалась более низкой (рис. 2.16), при подключении эмиттера и коллектора к внешней электрической цепи по ней потечет ток. Таким образом, получим источник тока, называемый термоэмиссионным преобразователем (ТЭП). Он, как и ТЭГ, преобразует тепловую энергию в электрическую, минуя ступень механической энергии, и, следовательно, подчиняется ограничениям, установленным II законом термодинамики.

15. Опишите известные Вам способы прямого преобразование световой энергии.

Многообещающе прямое превращение солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элементов, в которых используется явление фотоэффекта. В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы. Их КПД, однако, составляет не более 15%, и они очень дороги. Существуют различные варианты промышленного фотоэлектрического преобразования энергии, но для реализации этих проектов предстоит провести большой объем научных исследований и решить серьезные научно-технические проблемы.

16. Опишите известные Вам способы прямого преобразование химической энергии.

Электрохимический генератор. В электрохимических генератоpax происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую, для чего используются водородно кислородные топливные элементы. Топливный элемент - это обычный электрохимический элемент, отличающийся тем, что активные вещества к нему подаются извне, а электроды в электрохимических превращениях не участвуют.

Блок 3

1. Какие виды энергии получают от возобновляемых источников?

Запасы возобновляемых энергоресурсов: энергии Солнца, ветра, рек, морских приливов, недр Земли, растительных энергетических плантаций и т. д. - громадны, по существу, неистощимы.

2. Каковы особенности возобновляемых источников энергии по сравнению с традиционными невозобновляемыми?

При планировании энергетики на возобновляемых источниках важно учесть их особенности по сравнению с традиционными невозобновляемыми. К ним относятся следующие:

1. Периодичность действия в зависимости от не управляемых человеком природных закономерностей и, как следствие, колебания мощности возобновляемых источников - от крайне нерегулярных, как у ветра, до строго регулярных, как у приливов.

2. Низкие, на несколько порядков ниже, чем у невозобновляемых источников (паровые котлы, ядерные реакторы), плотности потоков энергии и рассеянность их в пространстве. Поэтому энергоустановки на возобновляемых источниках эффективны при небольшой единичной мощности, и прежде всего для сельских районов.

3. Применение возобновляемых ресурсов эффективно лишь при комплексном подходе к ним. Например, отходы животноводства и растениеводства на агропромышленных предприятиях одновременно могут служить сырьем для производства метана, жидкого и твердого топлива, а также удобрений.

4. Экономическую целесообразность использования того или иного источника возобновляемой энергии следует определять в зависимости от природных условий, географических особенностей конкретного региона, с одной стороны, и в зависимости от потребностей в энергии для промышленного, сельскохозяйственного производства, бытовых нужд, с другой. Рекомендуется планировать энергетику на возобновляемых источниках для районов размером примерно 250 км.

3. Перечислите нетрадиционные возобновляемые источники энергии, которые могут иметь практическое значение для Республики Башкортостан.

Нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии для Башкирии, могущими иметь практическое значение, являются биомасса, гидро-, ветроэнергетические ресурсы, солнечная энергия, твердые бытовые отходы, геотермальные ресурсы.

4. Назовите известные Вам энергетические способы переработки биомассы.

Существуют различные энергетические способы переработки биомассы (рис. 3.3):

- термохимические (прямое сжигание, газификация, пиролиз);

- биохимические (спиртовая ферментация, анаэробная или аэробная переработка, биофотолиз);

- агрохимические (экстракция топлива)



5. Дайте определение понятию «искусственная энергетическая плантация».

В последнее время появились проекты создания искусственных энергетических плантаций- плантации для выращивания биомассы и последующего преобразования биологической энергии. Для получения тепловой мощности равной 100 МВт потребуется около 50м2 площади энергетических плантаций.

6. Перечислите термохимические методы переработки биомассы.

Пиролиз - процесс нагревания биомассы либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограниченном доступе воздуха или кислорода. КПД процесса пиролиза достигает 80-90 %.

Газификация - способ ведения процесса пиролиза, при котором основным энергетическим продуктом является горючий газ.

7. Изобразите схему промышленного газогенератора.



Газогенератор - устройство, в котором реализуется процесс газификации (рис.3.4).

В состав образующегося в газогенераторе генераторного газа входят следующие горючие компоненты: окись углерода, водород, газообразные углеводороды, метан.

Процесс газификации включает такие последовательные фазы, как сушка, пиролиз (коксование) и собственно газификация топлива.

В зоне сушки происходит выпаривание начальной влаги из поступающего в газогенератор топлива за счет остаточной теплоты уходящего генераторного газа.

В зоне пиролиза при температуре до 800 °С от топлива отделяются легкие газообразные фракции, самой важной из которых является метан (СН4). Закоксовавшееся в зоне пиролиза топливо сначала реагирует с кислородом, находящимся в свежем воздухе, образуя двуокись углерода и водяной пар.

В зоне газификации при температуре свыше 900 °С СО2 и Н2О продолжают реагировать с углеродом, образуя окись углерода и водород, которые являются активно горящими газами.

8. Перечислите биохимические методы переработки биомассы.

Анаэробное разложение - процесс получения энергии из биомассы микроорганизмами (анаэробными бактериями) в отсутствие или при недостатке кислорода и света. Полезный энергетический продукт этого процесса - биогаз.

Биогаз - смесь углекислого газа (СО2) и метана (СН4). Энергетическая эффективность процесса сжигания биогаза может достигать 60-90 % эффективности сжигания сухого исходного материала.

Фотолиз - процесс разложения воды на водород и кислород под действием света. Если водород сгорает или взрывается в качестве топлива при смешении с воздухом, то происходит рекомбинация О2 и Н2.

9. Изобразите схему установки для промышленной переработки отходов животноводства.

Считается, что применение биоэнергетических установок по переработке отходов животноводства позволит существенно улучшить экологическую обстановку вблизи крупных животноводческих комплексов, где к настоящему времени скопились огромные количества непереработанной биомассы. Кроме того, можно рассчитывать на получение высококачественных органических удобрений и за счет производства биогаза обеспечить экономию 116 тыс. т условного топлива в год.

10. Перечислите известные Вам агрохимические методы переработки биомассы.

Экстракция топлив - процесс получения жидких или твердых топлив прямо от растений или животных.

Более предпочтительным представляется способ получения агрохимических топлив, который основан на культивировании специализированных микроводорослей.

Исследования возможности использования микроводорослей в процессе экстракции топлив показали, что содержание в них углеводородов - основного горючего компонента - может быть довольно значительным.

11. Каковы основные направления развития малой гидроэнергетики в Башкирии?

В Башкирии имеются более 300 рек и столько же водохранилищ технического назначения. Согласно программе Правительства Башкортостана по строительству объектов малой гидроэнергетики в ближайшее время намечено возведение гидроэлектростанций общей мощностью около 5000 кВт, а также водяных мельниц общей производительностью 6800 кг/ч.

12. Охарактеризуйте возможности использования ветроэнергетических ресурсов в Республике Башкортостан.

Анализ эффективного использования ветроэнергетики в Республике Башкортостан показал, что важными факторами для выбора оптимального месторасположения ВЭУ являются климатические и синоптические параметры региона - влияние циклонов и антициклонов, температурные особенности местности, среднегодовая скорость ветра на различных высотах, направления ветров и другие факторы.

Специалисты в сфере ветроэнергетики получают реальную возможность проанализировать территорию Республики Башкортостан и оценить объективную возможность и целесообразность установки ВЭС за счет расчета энергетического потенциала на территории региона, использовать такие функции ГИС, как покоординатный ввод пространственных объектов и данных по ним, идентификация пространственных объектов, анализ местоположения для установки потенциальной ВЭУ, поиск пространственных объектов по различным критериям, масштабирование пространственных объектов и выбор специалистом интересующей области (точечно, покоординатно, полигональная область или административный район).

13. Классифицируйте ВЭУ по типу исполнения и ориентации ветровых колес.

14. Перечислите направления использования солнечной энергии.

Известно два направления использования солнечной энергии. Наиболее реальным, находящим относительно широкое распространение в таких странах, как Австралия, Израиль, США, Япония, является преобразование солнечной энергии в тепловую и использование в нагревательных системах. Второе направление - системы непрямого и прямого преобразования в электрическую энергию.

15. Опишите системы использования солнечной энергии для горячего водоснабжения.

В системах горячего водоснабжения и отопления используются плоские солнечные коллекторы.

Солнечный коллектор представляет собой теплообменный аппарат с каналами, через которые проходит теплоноситель. Часть солнечной радиации поглощается поверхностью теплообмена и передается теплоносителю.

Простейшим накопителем энергии в форме теплоты является емкость, заполненная водой. Если емкость не изолирована и открыта - эффективность аккумулирования теплоты наименьшая, если закрыта и установлена на теплоизолирующей площадке - эффективность будет выше.

Плоский коллектор поглощает прямое и рассеянное солнечное излучение. В связи с тем что потоки солнечных лучей носят нерегулярный характер, для надежного теплоснабжения следует использовать двухконтурные схемы с резервным источником теплоты в виде теплоэлектронагревателя. Оптимальный угол расположения коллектора к горизонту превышает широту местности на 10 - 15°.

...