Общие понятия энергетики и энергии

Общее понятие энергетики. Энергетика — это область де_

ятельности, связанная с производством и потреблением энер_

гии. В системном плане энергетика представляет собой сово_

купность подсистем, служащих для преобразования, распреде_

ления и использования энергетических ресурсов всех видов.

Назначение энергетики состоит в том, чтобы обеспечить про_

изводство энергии путем преобразования первичной энергии

(например, химической, содержащейся в нефти) во вторичную

(допустим, электрическую энергию) и эффективное использо_

вание ее конечным потребителем (к примеру, троллейбусом).

Производство и потребление энергии проходят следующие

стадии:

__получение и концентрация энергетических ресурсов — не_

фти, угля;

__передача сырья к преобразующим установкам (нефти — на

нефтеперерабатывающий завод (НПЗ), угля — на теплоэлектро_

станцию (ТЭС));

__преобразование первичной энергии сырья во вторичную с

новым носителем (в топливо — на НПЗ, электрическую энер_

гию — на ТЭС);

__передача вторичной энергии потребителям (топлива — ав_

томобилям, электроэнергии — троллейбусам, в отопительные и

осветительные системы);

__потребление доставленной энергии (автомобилем — для со_

вершения транспортной работы, отопительными системами —

для обогрева помещений).

Теоретическую основу энергетики составляет ряд научных

дисциплин: термо_ и газодинамика, тепло_ и электротехника,

гидромеханика и др.

Базовые понятия энергетики включают в себя энергию, ее

виды и формы; энергоносители и топливо; измерители энергии

и системы единиц; основные законы и методы преобразования

__

энергии, типы преобразователей; способы передачи и аккуму_

лирования энергии. Только при знании всех этих элементов в их

взаимосвязи можно составить системное представление об

энергетике в целом и возможностях эффективного функциони_

рования ее подобласти — транспортной энергетики, связанной

с осуществлением перевозок.

Энергия, работа, единицы измерения. Термин «энергия»

происходит от греческого слова energeia — действие. Энергия

пронизывает и объединяет многие процессы, является универ_

сальной количественной мерой движения и взаимодействия

всех видов материи. Энергия — скалярная характеристика дви_

жения материи и работы, совершаемой материальными телами.

Работа производится под действием силы. Сила возникает при

наличии полей, окружающих тела. Каждой форме движения

материи соответствует свой вид энергии: механическая, тепло_

вая, химическая, электрическая, ядерная (атомная) и др.

Сумма всех видов энергии в объекте составляет полную энер_

гию E, которая связана с его массой m и скоростью света с зако_

ном Эйнштейна: E _ mc 2. Массе 1 г соответствует энергия 1014 Дж.

Превращение внутренней энергии тела в ее внешние формы

называют освобождением энергии. При химических реакциях

освобождается 5 · 10_9% общего запаса энергии тела, при ядер_

ных — 0,09 %, термоядерных — 0,65 %, а при аннигиляции эле_

ментарных частиц — 100% [13].

Энергия может превращаться из одного вида в другой. При

этом полная энергия изолированной системы в соответствии с

законом сохранения энергии остается неизменной. Из данного

закона вытекает другой общий закон: запас энергии тела (сис_

темы), совершающего работу, уменьшается, а запас энергии тела

при приложении к нему внешней силы, производящей работу,

увеличивается.

Полная энергия тела (системы) состоит из кинетической

энергии движения тела, потенциальной энергии, обусловлен_

ной наличием силовых полей, и внутренней энергии. Механи_

ческая кинетическая энергия присуща движущимся предме_

там, а механическая потенциальная энергия — объектам, рас_

положенным выше уровня базовой поверхности.

Тепловой энергией обладают нагретые предметы. Химиче_

ская энергия содержится в топливе и пище. Электрическая

энергия генерируется в основном на электростанциях. Лучи_

стая энергия (энергия электромагнитного излучения) в форме

солнечной энергии служит для Земли источником теплоты и

света. Ядерная энергия является разновидностью потенциальной

энергии, связанной с наличием внутриядерных силовых полей.

Энергию содержат в себе и переносят ее физические носите_

ли (табл. 1.1) [13].

__

С энергией связана способность совершать работу; она обес_

печивает функционирование промышленности, транспорта и

других отраслей хозяйства.

Наиболее широко используется электрическая энергия, вы_

рабатываемая в основном ТЭС, атомными (АЭС) и гидроэлек_

тростанциями (ГЭС), а также получаемая из других источников.

На транспорте значительна доля тепловой энергии.

Энергия, обеспечивающая конечные производственные про_

цессы — электрофизические, механические, тепловые, освеще_

ние, передачу информации, представляет собой конечную энер_

гию.

Энергия, которая содержится в энергоносителях и обеспечи_

вает работу конечных энергетических установок, называется

подведенной.

Коэффициент полезного действия _ характеризует степень

совершенства устройства, осуществляющего передачу или пре_

образование энергии. Он равен отношению полезной энергии

E пол или мощности N пол соответственно к подводимой энергии

E или мощности N:

_ _ E пол/ E _ N пол/ N.

Чем выше КПД устройства, тем больше подводимой энергии

используется им или преобразуется. Смена поколений машин и

преобразователей энергии всегда сопровождалась повышением

КПД. Паровые машины в первой половине XIX в. имели КПД

5…7 %. КПД энергоустановки паровоза был повышен до 10 %,

а тепловоза — до 28 %. У современных поршневых паровых ма_

шин и двигателей внутреннего сгорания (ДВС) КПД не превы_

шает 35 %, а у паровых и газовых турбин — 40 % [12, 13].

Та б л и ц а 1.1

Виды энергии и ее физические носители

___ _______ _________ _____ _

___________ __________ _ _______ _____ _ __ __

_ _________ _ _

___ ____ ____ _ __ __ __ ___________ _ _________

___ ____

!________ $ _____ ___#___ __"_

$ ________ $ _____ _ _____ ___ ______ __ _________

_ ______ _______ _ _ ______

__ ______ $ ___________ __ _

%______ &_ ___

__

Единицей измерения энергии в Международной системе еди_

ниц СИ является джоуль (1 Дж _ 1 Н · м).

В тепловых расчетах применяют калорию (1 кал _ 4,1868 Дж).

В производстве и быту пользуются единицей, называемой

киловатт_часом (1кВт · ч _ 3,6 · 106Дж _ 860 076 кал).

Для оценки запасов источников энергии в качестве ее едини_

цы часто применяется тонна условного топлива — угля (т у. т.).

При полном сгорании 1 т у. т. выделяется энергия 7 · 103 ккал.

Виды и формы энергии

Механическая энергия. Механическая энергия характери_

зует движение и взаимодействие тел в пространстве и времени.

Этот вид энергии, лежащий в основе действия механических

устройств, изучается теоретической и технической механикой.

Поскольку механическая энергия является конечным видом

энергии для транспорта, вспомним основные положения меха_

ники [12].

Р а б о т а с и л ы и м о м е н т а с и л ы. Механическая энер_

гия вводится с использованием понятий работы силы и работы

момента силы. Элементарной работой силы dL на элементар_

ной длине пути ds называется скалярное произведение вектора

силы _P и вектора элементарного перемещения _ dr

_ _ _ _

dL Pdr_ P cos ds,

где _ r — радиус_вектор, _ — угол между векторами _P и _ dr.

Работой на участке пути является интеграл по пути:

_ _ _

_

_

__ _

_

_

_ _ __ (1.1)

При вращательном движении работу производит момент

силы M. Заменяя в выражении (1.1) силу P моментом M, а путь

ds — углом поворота d _ и полагая, что cos_ _ 1, для работы мо_

мента сил получим

_

_

_ _ _

L Md,

где М _ Ph; h — плечо силы, равное кратчайшему расстоянию

между направлением ее действия и осью вращения.

Единицей измерения момента силы в СИ является Н · м.

По форме энергию подразделяют на кинетическую и потен_

циальную.

__

К и н е т и ч е с к а я э н е р г и я. При действии на тело силы

его кинетическая энергия E к возрастает на величину dE к _ dL.

Интегрируя dE к для тела, движущегося поступательно (cos_ _

_ 1), получим

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2

0 0 0 0 0

2,

L s s t v dv

E dL Pds mads m vdt mvdv mv

dt

где т — масса; v — линейная скорость; а — линейное ускоре_

ние тела.

При вращательном движении роль массы играет момент

инерции тела I, а роль скорости — угловая скорость _ d _/ dt.

Поэтому для вращающегося тела получим

Е к _ I 2/2.

При вращательном движении аналогом линейного ускорения a

является угловое ускорение _ d / dt и момент инерции связан

с моментом силы зависимостью I _ M /.

В СИ момент инерции измеряется в кг · м2.

Если тело одновременно участвует в поступательном и вра_

щательном движениях, его энергия

Е к _ mv 2/2 _ I 2/2.

П о т е н ц и а л ь н а я э н е р г и я. При воздействии потенци_

альной силы, работа которой определяется только начальным и

конечным положениями тела, величина энергии, равная работе

силы на пути между этими положениями, называется потенци_

альной энергией E п.

З а к о н с о х р а н е н и я м е х а н и ч е с к о й э н е р г и и.

Данный закон записывается в виде

Е _ Е к _ Е п _ const.

Он является частным случаем закона сохранения и превра_

щения полной энергии.

Мощнос т ь. Согласно определению мощность — это рабо_

та, совершаемая в единицу времени: N _ dL / dt. При поступа_

тельном движении N _ Pv, а при вращательном — N _ М. Одну и

ту же мощность можно получить различными сочетаниями силы

P и скорости v или момента силы М и угловой скорости.

Мощность в СИ измеряется в ваттах: 1 Вт _ 1 Дж/с. Внесис_

темной единицей мощности является лошадиная сила — работа,

производимая силой 75 кгс на пути 1 м за 1 с: 1 л.с. _ 735,5 Вт.

Тепловая энергия. Теплота представляет собой форму про_

явления внутреннего беспорядочного (хаотического) движения

частиц тела (системы). Мерой теплоты является ее количество,

__

получаемое или отдаваемое телом при теплообмене. Это коли_

чество теплоты называют тепловой энергией.

Проблемы, связанные с осуществлением тепловых процес_

сов, рассматриваются термодинамикой и теплотехникой. Термо_

динамика изучает процессы в системах путем анализа превра_

щения теплоты в различные виды энергии. Теплотехника охва_

тывает производство, распределение, транспортирование и ути_

лизацию теплоты. Способы извлечения, преобразования и ис_

пользования тепловой энергии в ДВС будут с необходимой глу_

биной рассмотрены в гл. 2 и 3. Здесь упомянем лишь основные

законы термодинамики.

Согласно первому началу (закону) термодинамики количе_

ство теплоты q, сообщаемое единице массы системы, расходу_

ется на увеличение ее внутренней энергии _ u и совершение

системой работы l над внешней средой:

q _ _ u _ l.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы:

ее значение полностью определяется параметрами состояния и не

зависит от пути, приведшего вещество в данное состояние. Внут_

ренняя энергия включает в себя кинетическую и потенциальную

энергию частиц вещества. Первый закон термодинамики можно

рассматривать как одну из формулировок закона сохранения и

превращения энергии, примененного к тепловым процессам.

Второе начало (закон) термодинамики устанавливает не_

обратимость реальных процессов и определяет их направление.

Этот закон связан с понятием энтропии. Как и внутренняя энер_

гия, энтропия характеризует состояние системы и является ее

функцией. Энтропия изменяется при сообщении телу или отбо_

ре у него теплоты и является мерой молекулярного хаоса и неупо_

рядоченности физической системы. При необратимых адиабат_

ных процессах энтропия растет, и это является законом приро_

ды при наличии антропогенного воздействия на нее.

В соответствии с третьим началом (законом) термодинами_

ки при приближении температуры к абсолютному нулю энтро_

пия системы также стремится к нулю, что дает возможность

рассчитывать абсолютное значение энтропии.

Теплообменом называется необратимый самопроизвольный

процесс передачи теплоты. Знание законов теплообмена позво_

ляет эффективно передавать теплоту потребителям и уменьшать

ее потери в линиях теплопередачи. Существуют следующие

виды передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и лучи_

стый теплообмен.

В природе и технике источниками тепловой энергии явля_

ются химические реакции, электрический ток, электромагнит_

ное излучение и ядерные реакции.

__

Химическая энергия. Этот вид энергии представляет собой

часть внутренней энергии вещества, обусловленную взаимо_

действием атомов в молекуле. Выделяющаяся при сжигании

топлива энергия используется для получения теплоты.

Вещества подразделяются на органические и неорганиче_

ские. К органическим относятся углеродосодержащие веще_

ства — нефть, уголь, спирт и др. Примерами неорганических ве_

ществ могут служить вода, песок и минералы.

Вещества вступают во взаимодействие — реакции, и тогда

образуются новые вещества. Реакцию характеризует энергия

активации, необходимая для разрыва связей реагирующих ве_

ществ и способствующая образованию новых связей и веществ.

Скорость протекания реакции зависит от природы реагирующих

веществ, термодинамических параметров состояния и внешне_

го воздействия.

Реакции бывают экзотермическими и эндотермическими.

Первые протекают с выделением энергии, вторые — с ее погло_

щением. К экзотермическим реакциям, в частности, относятся

реакции сжигания топлива.

Процесс сжигания топлива называется горением. Для горе_

ния характерно интенсивное выделение энергии, значитель_

ный нагрев, образование пламени, свечение, превращение твер_

дого и жидкого топлива в газ. При горении образуется дым —

аэрозоль, состоящий из твердых частиц размером 0,1…10 мкм,

взвешенных в газовой среде. После горения остается зола —

минеральный остаток, содержащий SiO2, Fe2О3 и другие соеди_

нения.

Ор г а н и ч е с к о е т о п л и в о. В состав этого вида топлива

входят углерод, водород, кислород, азот, сера, вода и другие эле_

менты и вещества. В зависимости от агрегатного состояния оно

бывает твердым (уголь, древесина, торф), жидким (керосин,

бензин, солярка, мазут) и газообразным (природные и искусст_

венные газы).

Природным топливом являются древесина, природный газ,

полезные ископаемые растительного происхождения (каменный

и бурый уголь, антрацит, торф, горючие сланцы); искусствен_

ным — бензин, керосин, солярка, мазут, водород, кокс, коксо_

вые и генераторные газы и др.

Энергетическая эффективность топлива определяется удель_

ной теплотой сгорания, равной теплоте, выделяющейся при

сгорании 1 кг топлива. Различают высшую удельную теплоту

сгорания Н 0 — без учета потерь на испарение влаги, содержащей_

ся в топливе, и низшую удельную теплоту сгорания Нu — с уче_

том этих потерь. Из природного топлива наибольшей теплотой

сгорания обладает природный газ (Н 0 _ 50 МДж/кг). Значитель_

ную теплоту сгорания имеет водород (Н 0 _ 116 МДж/кг).

__

Для сопоставления разных ви_

дов топлива и его суммарного

учета используют понятие вооб_

ражаемого условного топлива с

низшей удельной теплотой сгора_

ния, равной 29,3 МДж/кг. Масса

условного топлива m у выражает_

ся через массу натурального топ_

лива т 1082 кн с помощью соотношения

m у _ Нu т н/29,3.

В табл. 1.2 приведены усред_

ненные значения удельной теп_

лоты сгорания некоторых видов

органического топлива [12].

П е р с п е к т и в н ы е в и д ы

т о п л и в а. Приведем краткое описание некоторых из них.

Водород имеет удельную теплоту сгорания втрое более высо_

кую, чем у нефти, а при его сгорании образуется экологически

безопасная вода. При его использовании в двигателях в воздух не

выбрасывались бы несгоревшие углеводороды, соединения свин_

ца и оксид углерода. Однако бензин, залитый в бак вместимос_

тью 80 л, имеет массу 56 кг; эквивалентное по энергосодержанию

количество водорода имеет массу 20 кг, но стальные резервуары

для этого количества газа должны иметь массу несколько тонн.

Получение водорода пока дорогостоящий процесс.

Недостатком этого вида топлива является также то, что во_

дород более взрывоопасен, чем компоненты природного газа.

В качестве топлива могут быть использованы спирты — ме_

танол СН3ОН и этанол С2Н5ОН. Применение спирта требует

доработки ДВС, но 20%_ная добавка этанола к бензину делает

эту смесь (газохол) приемлемой для обычных двигателей. Дви_

гатель, работающий на спирте, выделяет гораздо меньше про_

дуктов сгорания, чем бензиновый двигатель.

Городские отходы на 40…60 % состоят из веществ, не ус_

тупающих по теплоте сгорания низкосортным маркам угля

[13]. Решая проблему утилизации отходов, необходимо пред_

усмотреть возможность использования этой теплоты. Наибо_

лее разработанные технологии биоэнергетики — биохимичес_

кая или термохимическая конверсия отходов в биогаз и эта_

нол. Электрическая энергия. Это единственный вид энергии,

который удается производить в больших количествах, переда_

вать на значительные расстояния и сравнительно просто рас_

пределять. Электроэнергия легко преобразуется в другие виды

энергии.

Та б л и ц а 1.2

Удельная теплота сгорания

Органического топлива,

МДж / кг

Топливо Hu H0

Бурый уголь 14 27

Антрацит 21 34

Каменный уголь 24 35

Мазут 40 42

Природный газ 48 50

__

Электрическая энергия обусловлена наличием заряженных

тел, электрического тока, электрических и магнитных полей.

Природу электрических явлений изучает электродинамика, а

методы получения, передачи, распределения и использования

электрической энергии — электротехника. Вспомним основ_

ные понятия, связанные с электромагнитными явлениями, по_

лучением и применением электрического тока.

Электрический ток — это упорядоченное движение свобод_

ных электрических зарядов. Ток характеризуется направлением,

силой и напряжением. В СИ сила тока I измеряется в амперах

(А), а напряжение U — в вольтах (В).

Магнитное поле создается электрическим током. Характери_

стики поля таковы: напряженность — измеряется в СИ в ампе_

рах на метр (A/м); магнитная индукция — в теслах (Тл), 1 Тл _

_ 1 Н/(А · м).

Электромагнитная индукция — явление возникновения

электродвижущей силы в проводнике, если он движется в по_

стоянном или покоится в меняющемся магнитном поле. Это яв_

ление используется для получения электрического тока генера_

торами и преобразования переменного тока трансформаторами.

Магнитный поток измеряется в веберах (Вб), 1 Вб _ 1 Тл · м2.

Одновременное существование в области пространства пере_

менных электрического и магнитного полей обусловливает

электромагнитное поле. Переменные во времени электромаг_

нитные поля называются электромагнитными колебаниями.

Постоянный электрический ток характеризуется тем, что

его сила и направление не меняются со временем. В СИ едини_

цей электрического сопротивления R является ом (Ом). Ток,

проходя через потребитель, совершает работу L _ IUt. Мощ_

ность тока определяется работой, совершаемой им в единицу

времени:

N _ dL / dt _ IU _ I 2 R _ U 2/ R.

Работа и мощность тока в СИ измеряются соответственно в

джоулях (Дж) и ваттах (Вт), 1 Вт _ 1 А · В. Внесистемной едини_

цей работы тока является киловатт_час (кВт · ч).

Переменный электрический ток — это ток, изменяющий_

ся во времени по величине и направлению. Мгновенное значе_

ние силы тока

I _ I max sin(t _),

где I max — амплитуда; (t _) — фаза тока; — циклическая

частота (_ 2__); _ — частота колебаний; — начальная фаза.

Закон Ома для переменного тока принимает вид

I max _ U max / Z,

_

где U max — амплитуда напряжения; Z — полное сопротивление

цепи, включающее в себя активное и реактивное сопротивления.

Важными для практики являются понятия действующих

силы тока, напряжения и мощности:

I _ I max 2, U _Umax 2,

_ 2 _ 2 _ 2 _ 2 _ _

N U R I R I maxR 2 Umax 2R.

Напряжения 220 В (в быту) и 110 кВ (в линии передачи) яв_

ляются действующими напряжениями переменного тока.

Для цепи с активными и реактивными элементами, в кото_

рой ток и напряжение изменяются с разностью фаз _, средняя

мощность тока за период

N _ IUcos_,

учитывающая потери электрической энергии, носит название

активной мощности, а величина cos _ — коэффициента мощ_

ности. Активная мощность в СИ измеряется в ваттах (Вт), пол_

ная — в вольт_амперах (В · А), реактивная — в реактивных вольт_

амперах (вар).

Трехфазная электрическая цепь по сравнению с однофаз_

ной позволяет экономить цветной металл в линиях электропе_

редачи (до 25 %), создавать вращающееся магнитное поле ста_

тора асинхронного электродвигателя, снижать пульсации тока

при получении постоянного тока из переменного, а также ис_

пользовать два рабочих напряжения — линейное (380 В) и фаз_

ное (220 В).

Механическое действие тока реализуется в работе электро_

двигателей. В электродвигателях постоянного тока возможно

плавное регулирование скорости вращения ротора. Они приме_

няются для привода колесных пар электротранспорта.

На транспорте используются также асинхронные электродви_

гатели трехфазного переменного тока. В статоре такого двига_

теля при помощи трехфазного тока создается вращающееся маг_

нитное поле. Частота вращения ротора меньше, чем у магнит_

ного поля, причем со снижением нагрузки она возрастает, с уве_

личением — уменьшается.

Асинхронные электродвигатели находят применение в при_

водах станков, кранов, лебедок, лифтов, эскалаторов, насосов и

других механизмов.

Тепловое действие тока проявляется в проводниках, через

которые проходит ток. Количество выделяющейся теплоты Q в

неподвижном проводнике равно работе электрического тока.

Солнечная энергия. Свет представляет собой электромаг_

нитные волны — поток фотонов. Ежесекундно Солнце излуча_

_

ет энергию 3,9 · 1026 Дж. Поверхности Земли достигает 4,5 · 10_8%

этой энергии. Мощность такого потока равна 1,78 · 1017 Вт. Энер_

гией, поступающей на поверхность площадью 20 тыс. км2, мож_

но обеспечить потребность в ней всего населения земного шара.

Энергетическая освещенность атмосферы составляет 1,4 кВт/м2,

а поверхности Земли — 0,8…1,0 кВт/м2. Затруднения в исполь_

зовании солнечной энергии вызваны ее низкой поверхностной

плотностью вблизи Земли (800 ккал/м2) [13].

Преобразование солнечной энергии в теплоту осуществля_

ется в сооружениях типа теплиц посредством нагревания теп_

лоносителей в теплоизолированных приемниках излучения, а

также на солнечных тепловых электростанциях.

Прямое преобразование солнечной энергии в электричес_

кую осуществляется двумя методами — термо_ и фотоэлектри_

ческим. Электроэнергия от солнечных батарей пока в 100 раз

дороже вырабатываемой тепловыми электростанциями.

Преобразование солнечной энергии в механическую прин_

ципиально возможно при использовании эффекта солнечного

паруса. Поток фотонов оказывает давление на поверхность Зем_

ли, равное 5 мкПа. Эффект солнечного паруса обусловлен раз_

ницей давлений света на идеально отражающую и полностью

поглощающую поверхности.

Ядерная энергия. По прогнозам, для обеспечения челове_

чества энергией природных запасов органического топлива хва_

тит на полстолетия. В будущем основным энергоресурсом мо_

жет стать солнечная энергия. На переходный же период требу_

ется источник энергии, практически неисчерпаемый, дешевый,

возобновляемый и не загрязняющий окружающую среду. И хотя

ядерная энергия не отвечает полностью этим требованиям, эта

область энергетики интенсивно развивается.

Ядерными реакторами называются устройства, в которых

осуществляются управляемые ядерные цепные реакции, сопро_

вождающиеся выделением теплоты. Основными элементами

ядерного реактора являются активная зона, где находится ядер_

ное топливо и протекает цепная реакция, замедлитель и отра_

жатель нейтронов, теплоноситель для отвода теплоты, образу_

ющейся в реакторе, регуляторы скорости развития цепной ре_

акции и радиационная защита.

Источники и ресурсы энергии

Существующие источники и ресурсы. Ресурсы — это сред_

ства, ценности, источники ценностей, запасы, возможности.

Подмножеством этой категории являются энергетические ре_

сурсы. Энергоресурсы — это средства, сутью которых является

__

их энергосодержание, а целью использования — извлечение,

преобразование и потребление содержащейся в них энергии для

реализации производственных процессов и удовлетворения раз_

личных потребностей.

Субстанция, содержащая энергию, называется энергоноси_

телем, важной характеристикой которого является плотность

содержащейся в нем энергии (например, удельная теплота сго_

рания). Энергоресурсы и энергоносители характеризуются об_

щей величиной запаса (энергоемкостью, массой) и темпом ис_

черпания (скоростью выемки из хранилища, интенсивностью

процесса потребления).

В понятие энергоресурсов входят также источники, их до_

ступность и степень освоения. От этих характеристик зависит

объем энергоресурсов, предназначенный для практического

применения.

Место энергоресурсов во множестве ресурсов, используемых

обществом, рассмотрим с помощью диаграммы классов UML1

(рис. 1.1).

Cтруктура системы характеризуется диаграммами классов с

множеством типов отношений. Обобщение, например, позволя_

ет реализовать принцип наследования: общие свойства и пове_

дение размещаются в верхних по иерархии (родительских) клас_

сах, а нижние классы (потомки) обращаются за информацией

к родительским классам. Наследование может быть множе_

ственным, когда потомок приобретает черты многих родителей

(например, класс ВоднРесурс («Водные ресурсы») на рис. 1.1 на_

следует свойства классов Энергоресурс и НеЭнергоресурс).

На одной диаграмме также можно отображать наследование

свойств по нескольким признакам (как, например, класс При_

родныйРесурс подразделяется на подклассы по признакам

«Энергосодержание» и «Неисчерпаемость»). Множественное

наследование позволяет отобразить сетевой характер классифи_

кации сложной системы (например, класс МинералРесурс мож_

но определить по признаку «Энергосодержание», а также как

Невозобновляемый и Исчерпаемый).

Обобщение отображается стрелкой со светлым треугольни_

ком, направленной в сторону родительского класса. В качестве

имени класса используют акроним — написанное слитно соче_

тание морфем ключевых слов (или самих слов), начинающихся

1UML — язык визуального моделирования [5] — возник и получил широ_

кое распространение в последнее десятилетие как инструмент объектно_ори_

ентированного моделирования сложных систем, существенно упрощающего

их анализ и проектирование. К основным понятиям UML относятся класс,

объект, атрибут, операция и наследование. Система представляет собой сово_

купность диаграмм классов, активностей и др.

__

Рис. 1.1. Иерархия ресурсов (диаграмма классов UML):

отношение наследования (треугольник примыкает к классу_родителю)

__

с заглавной буквы. Имена абстрактных классов пишутся курси_

вом, а конкретных (состоящих из одного определенного объек_

та) либо конечных в иерархии — прямым шрифтом.

Ресурсы в целом подразделяются на природные и экономи_

ческие.

Природные (первичные) ресурсы — компоненты окружаю_

щей среды (ОС), используемые в процессе общественного про_

изводства для удовлетворения материальных и культурных по_

требностей. Совокупность природных ресурсов можно разде_

лить на энергоресурсы и неэнергетические ресурсы.

Основные виды природных ресурсов — солнечная энергия

(СолнЭнергия), энергия приливов (ПриливЭнергия), геотер_

мальная энергия (ГеотермЭнергия), водные (ВоднРесурс), воз_

душные (ВоздРесурс), минеральные (МинералРесурс), земель_

ные (ЗемРесурс) и растительные ресурсы (ФлорРесурс), а так_

же ресурсы животного мира (ФаунРесурс). Среди них солнеч_

ная энергия, энергия приливов и геотермальная энергия явля_

ются чисто э н е р г е т и ч е с к и м и р е с у р сами. Земельные,

растительные ресурсы и ресурсы животного мира отнесем к

н еэ н е р г е т и ч е с к и м р е с у р сам. И наконец, водные, воз_

душные и минеральные ресурсы можно считать комбинирован_

ными: они используются как в процессах, осуществляемых в

энергетике, так и по другому назначению (воздух дает кислород

для топливной энергетики, но также является основой всей

аэробной жизнедеятельности).

Запасы первичных источников энергии, Дж, на Земле тако_

вы [13]: ядерная энергия деления — 1,97 · 1024; химическая энер_

гия горючих веществ — 1,98 · 1023; внутренняя теплота Земли —

4,82 · 1020; энергия приливов — 2,52 · 1023; энергия ветра —

6,12 · 1021; энергия рек — 6,5 · 1019.

Минеральные ресурсы (МинералРесурс) — это полезные

ископаемые, заключенные в недрах. В зависимости от области

их применения выделяют следующие группы ресурсов:

а) топливно_энергетические — нефть, природный газ, уголь,

урановые руды (ТоплЭнергоресурс);

б) рудные, являющиеся сырьевой основой для черной и цвет_

ной металлургии;

в) горно_химическое сырье — поваренная и другие соли, сера

и ее соединения и др.;

г) природные строительные материалы;

д) гидроминеральные (группы б — д на схеме условно объе_

динены в класс НеТоплЭнергоресурс).

Природные ресурсы классифицируют и по другому признаку —

практической неисчерпаемости: н е и с ч е р п а е м ы е и и с _

ч е р п а емые. Класс последних, в свою очередь, подразделяет_

ся на возобновляемые и невозобновляемые. Восстановление

__

запаса возобновляемых ресурсов (гидроресурсы, ветер) обеспе_

чивает природа. Запас невозобновляемых ресурсов (минераль_

ное топливо, уран) ограничен (на схеме показано для минераль_

ных ресурсов в целом). Невозобновляемость обусловлена раз_

личием темпов потребления и создания ресурсов природой.

Например, за сутки сжигается столько топлива, сколько его за_

пасала природа в минералах в течение тысячи лет.

Экономические ресурсы являются составляющими обще_

ственного производства, в том числе энергетики.

Тр у д о в ы е р е су р с ы кроме экстенсивного показателя —

численности обладают такими важными характеристиками, как

интеллектуальный потенциал и технологическая подготовлен_

ность.

Матер и а л ь н ы е р е с у р с ы носят вторичный характер

и представляют собой промежуточные или конечные продук_

ты цепи процессов переработки природного сырья (топливо,

получаемое из нефти, товарный уголь и газ), а также тепловые

отходы производственных процессов (отработанный пар, горя_

чие газы).

Энергоресурсы подразделяют также на топливные и нетоп_

ливные. Разнообразные энергоресурсы обладают взаимозаменя_

емостью (вместо жидкого топлива может быть использован газ).

При принятии решений о наилучшем использовании энергоре_

сурсов их сопоставляют количественно. Удобно проводить срав_

нение их удельной теплоты сгорания, Дж/кг.

Теплота сгорания может также измеряться в англо_американ_

ских единицах British Thermal Units (Вtu):

1 Btu _ 252 кал _ 1055 Дж _ 2,93 · 10_4 кВт · ч.

Применение понятия условного топлива позволяет соизме_

рять различные виды топлива. В отечественной практике в ка_

честве основы используется так называемый угольный эквива_

лент — 7000 ккал (29,3 МДж) — теплота, которая выделяется при

сжигании 1 т высококачественного угля (обозначается 1 т у. т.).

Тонна нефти при сгорании выделяет примерно 10 000 ккал

(42 МДж). Это означает, что для перевода массы нефти в уголь_

ный эквивалент следует эту массу умножить на коэффициент

1,43; 1 кВт · ч (3,6 МДж) электроэнергии эквивалентен 0,123 кг

у. т. [21].

Из всех первичных видов топлива наибольшей удельной теп_

лотой сгорания обладает нефть. К высококачественным энерго_

ресурсам относится природный газ с коэффициентом перевода

объема 1000 м3 на уровне 1,15…1,2.

Источники энергии разделяют на коммерческие и некоммер_

ческие. Коммерческие источники энергии включают в себя

твердые (уголь, торф, сланцы), жидкие (нефть, газовый конден_

__

сат), газообразные (природный газ) виды топлива и электро_

энергию, произведенную на электростанциях всех типов. Не_

коммерческие источники энергии — древесное топливо, сель_

скохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила

человека и рабочего скота [26].

Перспективные источники энергии для транспорта. Ра_

бота современного транспорта зависит от невозобновляемых

источников. В будущем человечество перейдет к преобладающе_

му использованию возобновляемых источников энергии. К чис_

лу перспективных источников энергии для транспорта относят_

ся: в ближайшем будущем — уголь и горючие сланцы; в отдален_

ном — внутренняя теплота Земли, движение вод в реках и мо_

рях, ядерная энергия. Из этих источников можно получить

энергию в форме, пригодной для непосредственного использо_

вания, например жидкое топливо, электричество и водород.

1.4. Преобразование и аккумулирование энергии

1.4.1. Преобразование и преобразователи

Тепловые двигатели. На автомобильные ДВС приходится

около 25 % общего количества потребляемой энергии и около

60 % общего количества всех видов загрязнений воздуха. Отра_

ботавшие газы автомобилей содержат СО2, Н2О, СО и другие

вещества. Максимальный теоретический КПД бензиновых ДВС

составляет около 58 %, дизелей — 64 %. КПД реальных ДВС

вдвое меньше.

Двигатели внешнего сгорания. В этих двигателях топливо

сгорает вне цилиндра. Горение происходит непрерывно. Вибра_