Количественные показатели энергетики

Каждая ступень развития энергетики характеризовалась некоторыми количественными показателями.

Для большинства ступеней таким показателем являлась удельная энергоемкость носителя энергии, выражаемая количеством механической работы (Дж) к единице массы энергоносителя (кг). Единица работы в СИ называется джоулем (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м в направлении действия силы: 1 Дж = 1 Н*м. Тут следует дать определение мощности. Мощность - физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, в течение которого она совершена. Единица мощности в СИ называется ваттом (Вт). Ватт равен мощности, при которой совершается работа в 1 Дж за время 1с: 1 Вт = 1 Дж/с.

Закон сохранения энергии раскрывает физический смысл понятия работы. Работа сил тяготения и сил упругости, с одной стороны, равна увеличению кинетической энергии, а с другой стороны, - уменьшению потенциальной энергии тел. Следовательно, работа равна энергии, превратившейся из одного вида в другой. Закон сохранения полной механической энергии в процессах с участием сил упругости и гравитационных сил является одним из основных законов механики.

Для живых "двигателей" измерить удельную энергоемкость достаточно сложно вследствие особых форм восполняемости живого энергоносителя за счет биологической энергии. Тем не менее в отдельных случаях в косвенной форме энергоемкость живых двигателей может быть успешно привлечена для оценки исторических ступеней развития энергетики.

Так, например, если для современного судна водоизмещением 80000 тонн использовать вместо двигателя мускульное усилие людей, как это делалось в античном мире, то для мощности в 70000 л.с. потребовалось бы свыше 2 миллионов гребцов (при трехсменной работе), вес которых без багажа и запасов продовольствия в несколько раз превысил бы вес судна и его водоизмещение [1].

Что касается природных энергоносителей, то здесь показатель удельной энергоемкости выражается достаточно точно цифрами, что позволяет не только объяснить исторические факты, но и сделать прогнозы на будущее.

Носитель гидроэнергии - вода - располагает запасом энергии в зависимости от возможной высоты ее падения в 10, 100, 1000 или 10000 Дж/кг. Рассмотрим такой пример. Для получения электроэнергии широко используется энергия рек. С этой целью строят плотины, перегораживающие реки. Под действием силы тяжести вода из водохранилища за плотиной движется вниз по колодцу ускоренно и приобретает некоторую кинетическую энергию. При столкновении быстро движущегося потока воды с лопатками гидравлической турбины происходит преобразование кинетической энергии поступательного движения воды в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем с помощью электрического генератора в электрическую энергию [3].

Для расчетов производства электрической энергии гидроэлектростанцией прежде всего необходимо уметь определять кинетическую энергию потока воды, направляющегося на лопатки турбины. Так как вода не падает на лопатки турбины вертикально сверху вниз, а движется по колодцам сложной формы, то расчеты изменения скорости воды на каждом участке ее движения с учетом действия силы тяжести и сил упругости были бы очень сложными. Однако в таких расчетах нет необходимости. Так как на воду действуют только силы тяжести и упругости, изменение ее кинетической энергии при любой траектории движения равно изменению ее потенциальной энергии, взятой с противоположным знаком. Изменение потенциальной энергии воды массой при изменении ее высоты h над поверхностью Земли можно связать соотношением m*g*h (здесь g ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с²). Силы упругости при движении воды в колодцах работы не совершают, так как их направление в любой точке перпендикулярно вектору перемещения. Поэтому изменение кинетической энергии воды равно изменению ее потенциальной энергии в поле силы тяжести. Иначе говоря, на какую высоту можно поднять воду, такую удельную энергоемкость и получим в соответствии с m*g*h.

Меньшей энергоемкостью обладает носитель ветровой энергии -воздух, энергоемкость которого зависит от высоты над уровнем моря (атмосферного давления) и силы ветра, к тому же погодные условия постоянством не отличаются. "Бесплатно" получаемая таким образом электроэнергия сильно зависит от погодных условий (силы ветра).

Удельная энергоемкость топлива лежит в пределах 8000 - 46000 кДж/кг. Даже если учесть, что КПД тепловых установок в 3 раза ниже гидравлических, высокая энергоемкость горючего даст вам КПД в десятки тысяч раз больший, чем энергоемкость воды.

Энергоемкость электрической энергии понятие несколько условное, поскольку эта энергия вторична. Во всех случаях получения электрической энергии ее количество, отнесенное к весу генерирующего устройства, незначительно.

Использование ядерной энергетики знаменует громадный скачок к новой качественной ступени развития энергетики. Высокая энергоемкость ядерного "топлива" (горючего) выражается в среднем 83·10¹² Дж/кг по ядрами тяжелых изотопов и 630 · 10¹² по термоядерным реакциям. Это в миллионы раз превышает среднюю энергоемкость обычного горючего. Даже если принять, что в результате возможно использовать только 10% энергии ядерного "горючего", энергоемкость ядерной энергии более чем в 10⁶ раз превосходит энергоемкость обычных видов топлива.

Практическое применение ядерного "горючего" означало бы начало новой эры энергетики, совершенно независимой от "местных" условий [1].

 

Естественные ресурсы

Человечество для жизни стремилось и стремится использовать всю окружающую природу: энергию Солнца и недр Земли, воду и воздух, растительность и животный мир, уже известные их запасы и то, что еще предстоит открыть. На практике же люди используют не все многообразие богатств природы, а только то, что соответствует их потребностям и возможностям на данном уровне развития общества [4].

Первобытных людей было сравнительно мало на Земле, да и жили они среди нетронутой природы. Но, несмотря на это, доступных им ресурсов было немного: примитивными орудиями труда и охотой они могли добывать для себя лишь готовую пищу. Съедая ее, люди поддерживали мускульную энергию, которую они могли использовать. А каменный уголь, например, был для них бесполезным блестящим камнем, менее ценным, чем твердый кремень, пригодный для изготовления примитивных орудий.

Как распределяется и изменяется набор естественных ресурсов наглядно видно на примере "топлива".

Тысячелетиями человек сжигал лишь растения. За счет их тепла он обогревал жилье, готовил пищу, а потом стал плавить и закаливать металл. До начала XIX века вся металлургия работала на древесном угле.

Развитие металлургии и появление паровых машин потребовало новых источников топлива. Люди научились использовать каменный уголь, что спасло леса от полного истребления [4]. Да и каменный уголь стремятся все меньше использовать как топливо - тепловые электростанции переводят на низкие сорта мазута.

Еще в начале нашей эры люди были знакомы с маслянистой жидкостью - нефтью, использовали ее в лечебных целях, а также жгли в светильниках. Резко вырос спрос на нефть в связи с изобретением двигателя внутреннего сгорания, и сейчас нефть и нефте - продукты стали главным топливом человечества.

Во многих странах природные и попутные нефти газы не использовались, а сжигались в "факелах" (грели воздух) - технологически не умели ни собрать газ, ни транспортировать его на большие расстояния. Но уже сейчас нефть и газ в больших количествах используется в промышленности химического синтеза. Попутные газы при добычи нефти на современном этапе могут собирать и транспортировать на любые расстояния.

На смену бензину, дизельному топливу и другим источникам энергии как "топливо" для ядерных реакторов идет атомная энергия.

В историческом расширении круга ресурсов, в случае неправильного их использования, кроме потребностей человечества и его технических возможностей, есть еще и другая логика: люди стремились заменить более дефицитные ресурсы менее дефицитными, более рационально, с большей пользой использовать сырьё и энергию.

С этой точки зрения естественные ресурсы можно разделить:

- на возобновляемые (восполнимые);

- невозобновляемые (невосполнимые);

- неисчерпаемые.

Многие ресурсы природы возобновляются естественным путем, в ходе сложившегося на Земле круговорота веществ и энергии: пополняются источники пресных вод и почвенной влаги, восстанавливаются леса и т.п. При использовании возобновляемых ресурсов нужно учитывать скорость их возобновления [1].

К невозобновляемым ресурсам относятся богатства недр. Месторождения полезных ископаемых образовались давно - в прошлые геологические эпохи, при других природных условиях. На их создание ушло несколько миллиардов лет. Главные кладовые полезных ископаемых находятся в Земной коре, и по мере их раскрытия и разработки богатых месторождений становится меньше.

И все-таки с полезными ископаемыми положение человечества не представляется угрожающим. Трудности с отдельными видами их носят скорее местный характер. В целом открытые геологами запасы все время значительно опережают потребности. Более того, многие очень крупные месторождения еще ждут своей очереди: разрабатывать их в современных условиях менее выгодно, чем другие более доступные.

Кроме того, чтобы бережливо использовать существующие месторождения полезных ископаемых, требуется разработка новых технологий. Например, при обычной откачке нефти свыше 50% ее остаётся в пластах.

Для сбережения дефицитных невозобновляемых ресурсов важно вовремя подобрать их более распространенный заменитель. А перспектива здесь безгранична: ведь месторождения - это сгустки полезных веществ. В качестве потенциальных ресурсов можно назвать все воды мирового океана и природу Земли - в них в огромном количестве содержится вся таблица Менделеева. На современном этапе не существует достаточно дешевых технологий, позволяющих добывать полезные в энергетическом отношении вещества непосредственно из воды, воздуха, почвы.

Неисчерпаемые ресурсы. Эту группу образуют самые различные ресурсы: энергия Солнца, ветра, морских приливов, подземного тепла, круговорот воды и т.д. При использовании этих "вечных" ресурсов природы перед человечеством стоят чисто технические трудности.

Вполне вероятно, что ресурсы атомной энергии неисчерпаемы: уже сейчас запасы урановых руд на сотни лет обеспечивают потребности человечества. Не исключено, что люди научатся расщеплять природные вещества.

 

 

Вопросы для самопроверки

1) Дайте современное определение энергии.

2) Носителями какого вида энергии являются люди и животные?

3) Назовите природные носители механической энергии?

4) Что понимают под энергоресурсами?

5) Какие энергоресурсы называются возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.

6) Какие энергоресурсы называются не возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.

7) Какую первичную энергию традиционно получают при преобразовании не возобновляющихся энергоресурсов?

8) Какой закон лежит в основе преобразования одного вида энергии в другой?

9) Что понимают под энергетикой?

10) Что такое энергетическая техника?

ТЕМА 2

Гидро- и ветроэнергетика как начальный период развития

Энергетики

2 .1. Предпосылки развития гидроэнергетики

Наиболее характерным энергоемким процессом, с которым впервые столкнулся человек, является подъем воды для орошения полей и размола зерна.

Орошение полей и размол зерна требовал от работников длительной, однообразной, изнурительной механической работы. Но, с другой стороны, именно в этой изнурительной повторяющейся работе, не требовавшей ни мышления, ни мастерства, заключалась возможность перехода к применению энергии прирученного животного или неорганической природы, и в первую очередь энергии воды. Так возникла гидроэнергетика, приведшая к замене человека-двигателя (животного-двигателя) механическим двигателем.

Первые сведения об использовании водоподъемных устройств можно отнести к 250 году до н.э, когда греческий ученый Архимед создал учение о гидростатике и использовал "винт" для перемещения воды. Но наибольшее распространение строительство водяных и ветряных мельниц получило лишь в X - XI веках н.э [1].

Время применения гидравлических двигателей насчитывает более чем двухтысячелетнюю историю и может быть разделено на несколько периодов.

Первый, самый длительный, продолжался от постройки первых водяных колес до середины 30-х годов XIX века. Он характеризуется применением водяных колес разной конструкции. Механическая энергия водяных колес использовалась либо на месте ее получения, либо при помощи механических устройств передавалась на небольшие расстояния (несколько десятков метров).

Второй - продолжался от середины 30-х годов до начала 90-х годов XIX века. Был осуществлен переход от водяного колеса к водяной турбине, изучались процессы, происходящие в ней, и усовершенствовалась ее конструкция. Водяное колесо сохранилось лишь в маломощных установках. Механическая энергия водяной турбины также использовалась на месте ее производства либо в непосредственной близости от нее [2].

Только решение проблемы передачи электрической энергии на расстояние положило начало новому этапу (XIX в.) в истории использования гидравлической энергии. При этом осуществлялось превращение механической энергии в энергию электрическую, передававшуюся к месту ее потребления на большие расстояния.

 

Водяные колеса

Первые гидравлические установки отражали ранние формы взаимодействия человека с окружающей средой - применение готовой энергии природы (без воздействия на нее).

Ранние водяные колеса очень просто сочленялись с водоподъемными установками: водяное колесо устанавливали на сваях, вбитых в дно реки, в движение оно приводилось сильным потоком воды. На ободе колеса размещались черпаки, поднимавшие и выливавшие воду в отводной желоб. Такие колеса использовали только скоростную составляющую энергии потока воды [1].

Более энергоемким было применение водяного колеса для зерновых мельниц, у которых между жерновами и водяным колесом сооружался передаточный механизм, обеспечивающий вращение водяного колеса вокруг горизонтальной оси, а жернова - вокруг вертикальной. Стремление обойтись без сложной механической передачи между валами, расположенными под прямым углом, привело к появлению водяных колес с вертикальным валом. Чтобы струя воды, направленная на лопатку колеса, не отклонялась силой тяжести, струе пришлось придать значительную скорость. Но при этом, падая на плоскую лопатку, струя воды сильно разбрызгивалась. Во избежание этого лопатки стали делать изогнутыми. Так возник прототип современных гидравлических турбин.

Увеличивалось число гидравлических установок, накапливался опыт. Недостаток в реках с соответствующей скоростью течения потребовал перехода к более целесообразному использованию водяных ресурсов. Началось сооружение плотин и деривационных комплексов, позволяющих использовать медленно текущие равнинные реки и создавать условия для более рачительного и эффективного использования гидроресурсов [3].

При наличии плотин использовать можно не только скорость потока, но и энергию положения.

Существенным недостатком водохранилищ является необходимость сбора воды в искусственном резервуаре и связанное с этим использование земельных участков, расположенных в месте создания плотины (затопление земель).

На территориях, не располагавших гидроресурсами, сооружались ветровые двигатели. Использование энергии ветра при движении судов известно с глубокой древности. Позднее появились ветровые установки для размола зерна. Однако крайняя неравномерность и низкая концентрация ветровой "готовой" энергии, а также трудности для дальнейшего аккумулирования механической энергии не позволяли энергии ветра занять заметное место в общем энергетическом балансе.

В сооружении же водяных колес был достигнут значительный прогресс. Для подъема руды из рудников в XVI веке применялись реверсивные водяные колеса.

В 1582 году в г.Лондоне были применены водоподъемные установки на реке Темзе, они состояли из 5 подъемных колес диаметром 6-7 метров, приводивших в движение ряд насосов, перекачивающих в сутки 18000 м3 воды [2].

В середине XVIII века на Алтае была сооружена уникальная гидроустановка для привода подъемных и транспортных устройств двух рудников. Установка представляла собой каскад с последовательно расположенными колесами, наибольшее из которых имело диаметр 17 м. Это было высшим достижение гидроэнергетики своего времени.

 

Гидравлический двигатель

Водяное колесо могло работать только при малых напорах воды, которыми обладали равнинные реки. Между тем громадные запасы гидравлической энергии были заключены в водяных потоках со средним (от 8 до 25 метров) и высоким (свыше 25 метров) напором воды. В этих условиях водяное колесо вообще не могло быть установлено. Единственная возможность для освоения громадной энергии таких водяных потоков заключалась в создании гидравлического двигателя, принципиально отличного от водяного колеса. Водяное колесо приводилось во вращение действием веса воды или ударами струи в лопатки. Но можно было использовать и другие физические явления - силу реакции потока воды на лопасти колеса [1].

Практически сила реакции, создаваемой потоком воды на лопасти рабочего колеса, нашла свое воплощение в так называемом сегнеровом колесе (физик Сегнер). Однако недостаточное понимание сущности физических процессов в таком двигателе не позволили Сегнеру в дальнейшем его усовершенствовать.

Тем не менее в несовершенном реактивном двигателе Сегнера Л.Эйлер усмотрел большие практические возможности.

Уже в своем первом докладе, сделанном в Берлинской академии наук (1750 год), Эйлер дал анализ процессов и указал, что низкий КПД получается вследствие потерь энергии при входе и выходе воды из колеса.

В последующих докладах (1751 - 1754 годы) были показаны преимущества Сегнерова колеса перед другими гидравлическими машинами и изложена теория водяного реактивного двигателя.

На основе уравнений сохранения количества движения он вывел уравнение работы гидравлической турбины. Идеи Эйлера о рациональной конструкции гидравлических турбин получили свое окончательное выражение в его предложении делить гидравлическую машину нового типа на две части - неподвижную и вращающуюся. Через неподвижный направляющий аппарат вода поступает во вращающееся колесо, являющееся рабочим органом машины [2].

В таком виде гидравлический двигатель представлял собой переходную конструкцию от сегнерова колеса к гидравлической турбине. Несмотря на полную научную и техническую обоснованность конструкции водяной турбины, предложенной Эйлером, она в XVIII веке по экономическим причинам не вошла в практику. Лишь в 40-х годах XX века в Швейцарии на родине Эйлера была построена действующая модель его турбины (ее КПД составлял 71 % при частоте вращения 180 об/мин.).

Гидравлические турбины разрабатывались и внедрялись в промышленном производстве Франции. Одним из первых проектов, получившим поощрительную премию, был двигатель профессора К.Бюрдена (1822 год), установленный на мукомольной мельнице и названный гидравлической турбиной [1].