Способы преобразования различных видов энергии в электрическую: современное состояние и перспективы развития

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 15 Июня 2013 в 21:29, реферат

Описание работы

Обычно мы используем имеющиеся в нашем распоряжении источники энергии тремя путями. Во-первых, мы можем получать тепловую энергию, сжигая ископаемое топливо, и использовать эту энергию непосредственно для обогревания жилищ, школ, предприятии и торговых учреждении. Во-вторых, можно преобразовать заключенную в топливе тепловую энергию в работу, например использовать продукты перегонки нефти для приведения в движение различного оборудования, а также автомобилей, тракторов, поездов, самолетов и кораблей. Наконец в-третьих, возможно преобразовать тепловую энергию, высвобождающуюся при сгорании топлива или выделяющуюся при делении ядер урана, в электрическую, а потом направить полученную электрическую энергию либо для производства тепла, либо для выполнения механической работы.

Содержание работы

Введение 3
Энергия солнца 5
Энергия ветра 8
Энергия воды 10
Геотермальная энергия 13
Энергия биомассы 15
Вторичные энергоресурсы 17
Атомная энергия 18
Производство, распрастранение и потребление электрической энергии 21
Заключение 28

Файлы: 1 файл

MINISTERSTVO_OBRAZOVANIYa_I_NAUKI_ROSSIJSKOJ_FED.docx

— 881.32 Кб (Скачать файл)

Синтетическое топливо, по мнению американских ученых, может стать  важным источником энергии в XXI веке. Специалисты обращают внимание на метанол, отличающийся простотой транспортировки  и меньшим, чем бензин, уровнем  местного загрязнения окружающей среды (если ментол производится на основе природного газа). Однако в продуктах сгорания метанола, синтезированного из угля, содержится в два раза больше углекислого  газа, чем его выделяется при сжигании бензина. Выход может быть найден на пути синтеза метанола при газификации древесной биомассы.

Альтернативой метанолу считается  этанол, производимый при ферментации  получаемого из биомассы сахара (исходные продукты: сахарный тростник, как в  Бразилии, и кукуруза, как в США). Пока технология производства этанола  достаточно дорогостояща, но использование  энзимов может снизить стоимость ферментации и сделать его конкурентоспособным с бензином.

Потенциальное использование  биомассы в США может позволить  заменить всю нефть, расходуемую  сейчас в качестве горючего для легковых автомобилей, а также уголь, сжигаемый  для производства электричества. При  этом число выбросов углекислого  газа сократилось бы наполовину.

Ежегодный объем органических отходов (биомассы) в СНГ составляет 500 млн. т. Их переработка потенциально позволяет получить до 150 млн.т условного топлива в год: за счет производства биогаза (120 млрд. м3) — 100-110 млн. т, этанола — 30-40 млн. т. Окупаемость современных технологий производства биогаза из отходов по оценкам специалистов составляет от 3 до 5 лет.

За счет использования  биогаза к 2000 г. можно получить годовую  экономию органического топлива 6 млн. т, а к 2010 г. в 3 раза больше. Для этого  необходимо создать высокоэффективные  штампы анаэробных микроорганизмов, специальные  виды энергетической биомассы, технологии, эффективное оборудование. 

Вторичные энергоресурсы

 

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) — это энергия различных  видов, покидающая технологический  процесс или установку, использование  которой не является обязательным для  осуществления основного технологического процесса. Экономически она представляет собой побочную продукцию, которая  при соответствующем уровне развития техники может быть частично или  полностью использована для нужд новой технологии или энергоснабжения  других агрегатов (процессов) на самом  предприятии или за его пределами.

Экономика стала бы значительно  менее энергоемкой и менее  загрязняющей окружающую среду за счет вторичного использования отходов. Большая часть используемых сегодня  материалов выбрасывается после  одноразового применения. Это примерно 2/3 всего алюминия, 3/4 стали и бумаги и еще большая часть пластмасс. Всего лишь 5% энергии, затрачиваемой  на добычу алюминия из бокситов, требуется  для его регенерации. Для стали, изготавливаемой только из лома, экономия энергозатрат составляет примерно 65%. Производство газетной бумаги из макулатуры требует на 25 - 60% меньше энергии, чем ее изготовление из древесной массы. Получение стекла из вторсырья экономит до 33% энергии, необходимой для его изготовления из первичного сырья.

В настоящее время особенно велики потери теплоты на электростанциях, в металлургической, химической, нефтедобывающей  и нефтеперерабатывающей промышленности, в сельском хозяйстве.

Теплота уносится также с  вентиляционным воздухом, с канализационными и бытовыми стоками. Согласно расчетам, из 1,7 млрд. т у. т., расходуемого в стране за год, полезно используется примерно 700 млн. т. Утилизация ВЭР позволит получить большую экономию топлива и существенно уменьшить капитальные затраты на создание соответствующих энергоснабжавдщих установок, так как при одинаковом эффекте затраты на улучшение использования энергоресурсов в 1,5-2 раза ниже затрат на добычу топлива. Рациональное и возможно более полное использование вторичных энергоресурсов дает большую экономию материальных, денежных и трудовых затрат, обеспечивает снижение выбросов вредных веществ, в том числе и тепловых.

ВЭР разделяются на три  основные группы: избыточного давления, горючие и тепловые. 

Атомная энергия

 

Это началось с гигантского  грибовидного облака, поднявшегося над  японским городом. И атомная энергетика так и не смогла избавиться от тени этого облака, упавшей на нее в  самом начале.

Ученые, создавшие атомную  бомбу, предвидели, что атомная энергия  могла бы служить мирным целям  в качестве источника электрической  энергии.

Ядерная энергия образуется в результате преобразования массы  в энергию в соответствии с  законом Эйнштейна: Е = mc2, где Е — энергия; m — преобразуемая масса; с - скорость света в вакууме. Большинство существующих ядерных станций получает энергию в результате расщепления изотопа урана — уран-235. Тепло, освобождающееся при расщеплении, используется для выработки водяного пара, направляемого к турбинам, которые вырабатывают электроэнергию в основном таким же образом, как на тепловых электростанциях. Их конкурентоспособность в конкретных ситуациях зависит от стоимости и доступности другого топлива, уровня заменяемости других источников отопления и в возрастающей степени — от приемлемости атомных станций для основной массы населения.

Атомные электростанции (АЭС) точно так же загрязняют окружающую среду, как и электростанции, работающие на ископаемом топливе. Но если выбросы  обычных электростанций включают уже  привычные нам химические соединения, то выбросы АЭС включают радиоактивные элементы, которые почти полностью являются продуктами реакций деления.

Основные опасности связаны  с этапами производства, на которых  выделяются новые радиоактивные  продукты на атомной станции, а также  при переработке и устранении нежелательных отходов. Радиоактивные  материалы вырабатываются в реакторе в результате расщепления топлива. В продуктах расщепления содержатся радиоактивные изотопы криптона, ксинона, цезия, рубидия, бария, стронция, йода и брома и изотопы водорода и трития. Другие изотопы генерируются в охлаждающей воде, включая изотопы аргона, фтора, водорода и кислорода; ряд других изотопов образуется в материалах конструкций, окружающих ядро реактора.

Газообразные отходы, удаляемые  из охлаждающей активную зону воды, включают радиоактивные изотопы  криптона, ксенона и азота. Эти  отходы удаляются с АЭС при  помощи очень высоких труб, что  позволяет распределить выбросы  на достаточно большом пространстве. Общее количество радиоактивности, выбрасываемое АЭС в обычных  условиях работы реакторов с охлаждением  водой под давлением, гораздо  меньше, чем в кипящих реакторах, и его можно считать пренебрежимо малым.

Газы предприятия выбрасываются в атмосферу после выдержки 30 дней, что позволяет распасться короткоживущим изотопам. Главным источником радиоактивности выбрасываемых газов являются криптон-85 вместе с небольшим количеством трития и йода-131. При нормальной работе уровень радиоактивности в выбрасываемых газах строго контролируется. Другие проблемы связаны с очисткой охлаждающей воды, которая может содержать контаминанты, просочившиеся из сердцевины реактора, включая тритий, который способен при высокой температуре диффундировать через металлические стенки, а также с ликвидацией загрязненных старых предприятий. Каждый из них не создает проблемы загрязнения атмосферы, но их влияние на окружающую среду может увеличить среднюю дозу, которую может получить отдельный человек; в некоторых случаях радиоактивные материалы, выброшенные в одной части окружающей среды, могут найти путь в другую. Предполагают, что такой могла быть причина случая в Зеллафильде (Великобритания), где материал, выпущенный в эстуарии, попал в атмосферу в виде аэрозоля, образовавшегося под действием ветра из тины при низком отливе. При нормальных условиях концентрации таковы, что можно не ожидать вредного эффекта: доза от всех источников не превышает 5 мрем в год. Твердые радиоактивные отходы, появляющиеся, как правило, в небольших количествах, загружаются в 200-литровые металлические бочки, заливаются цементом и перевозятся для захоронения в специальные места. Радиоактивные отходы атомных электростанций должны храниться, причем для долгоживуших радионуклидов в течение тысяч лет. Предлагались различные методы: отвердевание и захоронение в стекловидном состоянии в стабильных геологических структурах с небольшим термическим сопротивлением, что в настоящее время представляется наилучшим способом.

Регенерация радиоактивного топлива пока является деятельностью, связанной в основном с атомными станциями, но в будущем значение этого процесса будет возрастать. В принципе это этап, на котором  уран и плутоний отделяются от использованных топливных стержней для повторного применения, а отходы — оболочка стержней и продукты распада —  подготавливаются для хранения. В  результате на этом этапе вероятность  утечки радионуклидов в землю  и в воду при нормальных условиях проведения процесса велика, так как  он не может проводиться в замкнутой  системе, каковой является станция.

Насколько хорошо защищена окружающая среда от рутинных выбросов радиоактивных отходов предприятий, работающих с ядерными материалами? При обсуждении потенциальной опасности  таких выбросов на этот вопрос всегда дается ответ: «Исключительно хорошо». Подавляющее большинство таких  предприятий полностью удовлетворяет  требованиям, установленным правительством для выбросов радиоактивности.

Самую большую тревогу  вызывает возможность неожиданного выброса радиоактивности в результате нарушения технологии или несчастного  случая. Уровень мер безопасности на атомных станциях высок, и вероятность  серьезной аварии считается низкой. Тем не менее полного доверия к точности расчетов нет. Наиболее серьезная авария, которая может произойти, способна вызвать выброс радиоактивности из активной зоны реактора в результате отказа системы охлаждения и как следствие расплавления конструкции в активной зоне. Были рассчитаны различные варианты вероятности ущерба населению, основанные на вероятности расплавления и возможном уровне эмиссии при подобной и других авариях. Такие расчеты, приведенные в 1975 г. в докладе Комиссии по ядерному нормированию США, установили возможный риск от ста ядерных реакторов, использующихся в США. Он оказался не только меньше риска автомобильных или самолетных катастроф,- но также меньше риска таких неконтролируемых явлений, как ураганы и землетрясения. С другой стороны, риск от ядерных аварий имеет большее значение для населения, чем утверждают коэффициенты риска. Во-первых, расчеты не основаны на статистических данных и поэтому менее достоверны, чем сопоставляемые данные. Во-вторых, такие события, как автомобильные катастрофы, часто представляются происходящими независимо от воли людей: ядерные катастрофы, очевидно, связаны с деятельностью общества.

Другие факторы риска, связанные с атомными станциями, относятся к регенерации топлива, удалению отходов и кражей материалов для изготовления ядерного оружия.

В целом при нормальных условиях атомные силовые станции  не создают значительного загрязнения  воздуха. Они способны удовлетворить  возрастающие в будущем потребности  в энергии, заменяя виды топлива, сильно загрязняющие атмосферу, и сохраняя их как сырье для промышленности, например для производства пластмасс, лекарств и сложных химических соединений или для переработки в топливо  для транспортных средств. С другой стороны, возможность случайных  выделений радиоактивности все  еще вызывает опасения, вследствие чего популярность атомных станций  достаточно низка, что тормозит осуществление  программы ядерной энергетики как в Европе, так и в Северной Америке. В дополнение к этому запасы урана, так же как угля и нефти, ограничены и, вероятно, будут истощены через несколько столетий. 

ПРОИЗВОДСТВО,РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ       

Практическое использование электрической  энергии началось в конце девятнадцатого столетия. Очень быстро она сделалась  мощным производственным фактором. Сегодня  электроэнергия так глубоко вошла  в промышленность и быт людей, что жизнь без нее просто немыслима. Это результат тех преимуществ, которыми электроэнергия обладает по сравнению с другими видами энергии.

Перечислим наиболее важные из них: электроэнергию легко получить из других видов энергии и легко преобразовать с высоким кпд в другие виды энергии;места получения и потребления электроэнергии могут бить отдалены друг от друга. Это позволяет сооружать электрические станции вблизи энергетических источников и концентрировать большие производственные мощности вдали от них: легко и с небольшими потерями электроэнергию можно передавать на большие расстояния, причем эта передача происходит практически мгновенно:применение электроэнергии улучшает и облегчает условия труда, позволяет автоматизировать производственные процессы: с использованием электроэнергии улучшаются бытовые условия населении, так как она экологически чиста, гигиенична и удобна.                                                   

Производство, передача, распределение  и потребление электрической  энергии — единый процесс .Производство электрической энергии, ее передача потребителям в потребление происходят одновременно. Собственно электроэнергию нельзя запасать и хранить на складе. Ее необходимо произвести в данное время и в таком количестве, которое требуется потребителю. Поэтому производство электроэнергии должно возрастать или уменьшаться пропорционально ее потреблению. Для хранения электрической энергии необходимы специальные методы ее преобразования в другие виды энергии {например, в химическую в аккумуляторах). Электроэнергетическая система. Первые электрические станции имели небольшую мощность и обеспечивали потребителей, находящихся от них в непосредственной близости. Опыт показал, что такой способ электроснабжения экономически невыгоден и технически нецелесообразен, особенно с увеличением числа и мощности потребителей. Это заставило сооружать более мощные электростанции и более протяженные сети электропередачи.  Потребовалось связывать параллельно работу двух и более близко находящихся электространций. Наконец, пришли к сооружению электроэнергетических систем. Электроэнергетические системы (энергетические системы) — это совокупность сооружений дли производства, преобразования, передачи, распределения и потреблении электрической энергии, которые связаны общим технологическим процессом и общим централизованным управлением. В электрических устройствах ЭС используют различные значения напряжения. Для уменьшения потерь при преобразовании и для обеспечения оптимальной работы электрических устройств эти напряжения стандартизованы. На переменном токе: однофазные до 1000 В: 6, 12, 24, 36, 42, 220, 380 В; трехфазные до 1000 В: 42, 380, 660 В; трехфазные свыше 1000 В: 3, 6, 10, 20, 35, 110, 220, 400, 500, 750, 1150 кВ. На постоянном токе: 6, 12, 24, 48, 60, 110 В. В последние годы строят линии передачи постоянного тока с напряжением в 1500 кВ (Росия, США и др.). В некоторых странах распространены напряжения, отличающиеся от приведенных ранее. Используют и нестандартные напряжения, главным образом в электрическом транспорте (постоянное напряжение 550 и 1500 В и однофазное переменное напряжение 25 кВ). Напряжение для электрической установки выбирают, исходя из минимума капитальных, эксплуатационных затрат, потерь электроэнергии и требований безопасности.                                           

Информация о работе Способы преобразования различных видов энергии в электрическую: современное состояние и перспективы развития