Энергия и ее виды. Назначение и использование. Преимущество электрической энергии.

Энергия (от греч. energeie - действие, деятельность) представляет собой общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. Это способность к совершению работы, а работа совершается тогда, когда на объект действует физическая сила (давление или гравитация). Работа- это энергия в действии.

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Электрическая энергия является одним из наиболее совершенных видов энергии в виду ряда достоинств.

Электрическая энергия является наиболее чистой формой энергии и может быть получена из большого многообразия первичных источников (например, уголь, нефть, газ, энергия воды и атомная энергия). Электрическая энергия имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими видами производной энергии – возможность получения практически любых количеств энергии как от элемента размером со спичечную головку, так и от турбогенераторов мощностью более 1000 МВт, сравнительная простота ее передачи на расстояние и легкость преобразования в энергию других видов. Основная проблема - это ее хранение.

Она более эффективна с точки зрения использования, чем ископаемое топливо, поскольку имеет широко известные преимущества: обеспечение чистоты, удобство управления, доступность. Электроэнергия может быть использована значительно более эффективно и значительно более целенаправленно, чем энергия сжигаемого топлива. Электрические нагревательные системы характеризуются высокой технической эффективностью, и, несмотря на более высокую стоимость энергии по сравнению с энергией других источников, они более экономичны вследствие более низких эксплуатационных расходов.

Электрическая и тепловая энергия производятся на:

- тепловых электрических станциях на органическом топливе (ТЭС) с использованием в турбинах водяного пара – (паротурбинные установки – ПТУ), продуктов сгорания – (газотурбинные установки – ГТУ), их комбинаций – (парогазовые установки – ПГУ);

- гидравлических электрических станциях (ГЭС), использующих энергию падающего потока воды, течения, прилива;

- атомных электрических станциях (АЭС), использующих энергию ядерного распада.

 

 

Тепловые и атомные электростанции. Типовые схемы ТЭС и АЭС. Паротурбинные конденсационные электростанции и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) с комбинированной выработкой тепла и электрической энергии.

По виду вырабатываемой энергии:

· тепловые электростанции, вырабатывающие только электроэнергию,— конденсационные электростанции (КЭС);

· тепловые электростанции, вырабатывающие электрическую и тепловую энергию,— теплоэлектроцентрали (ТЭЦ).

По виду теплового двигателя:

· электростанции с паровыми турбинами — паротурбинные ТЭС и АЭС;

· электростанции с газовыми турбинами — газотурбинные ТЭС;

· электростанции с парогазовыми установками — парогазовые ТЭС;

Тепловые электростанции (ТЭС) вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании органического топлива (угля, нефти, газа).

В машинном зале тепловой электростанции установлен котел с водой.

При сгорании топлива вода в котле нагревается до нескольких сот градусов и превращается в пар.

Пар под давлением вращает лопасти турбины, турбина в свою очередь вращает генератор.

Генератор вырабатывает электрический ток.

Электрический ток поступает в электрические сети и по ним поступает на заводы, в школы, дома, больницы.

Передача электроэнергии от электростанций по линиям электропередачи осуществляется при напряжениях 110-500 киловольт, то есть значительно превышающих напряжения генераторов.

Повышение напряжения необходимо для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Затем необходимо обратное понижение напряжения до уровня, удобного потребителю.

Преобразование напряжения происходит в электрических подстанциях с помощью трансформаторов.

А тепло в виде горячей воды поступает из ТЭЦ по теплотрассам.

Градирня - устройство для охлаждения воды на электростанции атмосферным воздухом.

Котел паровой - закрытый агрегат для получения пара на электростанции посредством нагревания воды. Нагрев воды осуществляется посредством сжигания топлива.

ЛЭП - линия электропередачи. Предназначена для передачи электричества. Различают воздушные ЛЭП (провода, протянутые над землей) и подземные (силовые кабели).

 

Рис.11 – Принципиальные схемы ТЭС (а) и ТЭЦ (б)

В настоящее время на ТЭС и ТЭЦ наряду с паротурбинными установками (ПТУ) получают распространение парогазовые установки (ПГУ), работающие по комбинированной схеме.

В первой ступени ПГУ с газовой турбиной в качестве первичного источника энергии и рабочего тела используют природный газ, а вторичным рабочим телом являются продукты сгорания. Во второй ступени источником энергии служат выхлопные газы турбины, а рабочим телом – пар, генерируемый в парогенераторе с их помощью.

Атомные электроcтанции.

Такие электростанции действуют по такому же принципу, что и ТЭЦ, но используют для парообразования энергию, получающуюся при радиоактивной распаде. В качестве топлива используется обогащенная руда урана.

 

Рис. 12. Принципиальная схема АЭС.

По сравнению с тепловыми и гидроэлектростанциями атомные электростанции имеют серьезные преимущества: они требуют малое количество топлива, не нарушают гидрологических режим рек, не выбрасывают в атмосферу загрязняющие ее газы. Основной процесс, идущий на атомной электростанции - управляемое расщепление урана-235, при котором выделяется большое количество тепла. Главная часть атомной электростанции - ядерный реактор, роль которого заключается в поддержании непрерывной реакции расщепления.

Ядерное топливо - руда, содержащая 3% урана 235; ею заполняются длинные стальные трубки - тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы). Если много ТВЭЛов разместить поблизости друг от друга, то начнется реакция расщепления. Чтобы реакцию можно было контролировать, между ТВЭЛами вставляют регулирующие стержни; выдвигая и вдвигая их, можно управлять интенсивностью распада урана-235. Комплекс неподвижных ТВЭЛов и подвижных регуляторов и есть ядерные реактор. Тепло, выделяемое реактором, используется для кипячения воды и получения пара, который приводит в движение турбину атомной электростанции, вырабатывающую электричество.

33. Преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую. Ветроэнегетика и гидроэнергетика.

Основным направлением использования солнечной энергии является теплоснабжение. Для прямого преобразования солнечной энергии в тепловую разработаны и широко используются на практике установки солнечного теплоснабжения (СТО) для различных целей (горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха в жилых, общественных, санаторно-курортных зданиях, подогрев воды в плавательных бассейнах и различных процессах сельскохозяйственного производства).

По данным метеорологов в Республике Беларусь 150 дней в году пасмурно, 185 дней - с переменной облачностью и 30 - ясных, а всего число часов солнечного сияния в Беларуси достигает 1200 часов на севере страны и 1300-на юге.

Солнечная электростанция представляет собой сооружение, состоящее из множества солнечных коллекторов, ориентирующихся на Солнце. Каждый коллектор передает солнечную энергию жидкости-теплоносителю, которая, превратившись в пар, от всех коллекторов собирается в центральной энергостанции и поступает на турбину энергогенератора.

Рисунок 13 - Последовательность приемников солнечного излучения

в порядке возрастания их эффективности и стоимости

Основным элементом солнечной нагревательной системы является приемник, в котором происходит поглощение солнечного излучения и передача энергии жидкости. На рисунке 13 схематически изображены различные варианты приемников солнечной энергии. Опыт эксплуатации этих установок показывает, что в системах солнечного горячего водоснабжения может быть замещено 40-60 % годовой потребности в органическом топливе в зависимости от района расположения при нагреве воды до 40... 60 °С.

а) открытый резервуар на поверхности земли; б) открытый резервуар, теплоизолированный от земли; в) черный резервуар; г) черный резервуар с теплоизолированным дном; д) закрытые черные нагреватели,

е) металлические проточные нагреватели со стеклянной крышкой;

ж) металлические проточные нагреватели с двумя стеклянными крышками; з) то же, с селективной поверхностью; и) то же, с вакуумом.

Воздухонагреватель представляет собой приемник, в котором имеется пористая или шероховатая черная поглощающая поверхность, нагревающая поступающий воздух, который затем подается к потребителю.

Солнечный коллектор включает в себя приемник, поглощающий солнечное излучение, и концентратор, представляющий собой оптическую систему, собирающую солнечное излучение и направляющую его на приемник. Концентратор представляет собой чаще всего зеркало параболической формы, в фокусе которого располагается приемник излучения. Он постоянно вращается, обеспечивая ориентацию на Солнце.

Фотоэлектрические преобразователи представляют собой устройства, действие которых основано на использовании фотоэффекта, в результате которого при освещении вещества светом происходит выход электронов из металлов (фотоэлектрическая эмиссия или внешний фотоэффект), перемещение зарядов через границу раздела полупроводников с различными типами проводимости (вентильный фотоэффект), изменение электрической проводимости (фотопроводимость). Методы фотоэлектри-ческого преобразования солнечной энергии в электрическую находит применение для питания потребителей в широком интервале мощностей: от мини-генераторов для часов и калькуляторов мощностью от несколько ватт до центральных электростанций мощностью несколько мегаватт.

Ветроэнергетика представляет собой область техники, использующую энергию ветра для производства энергии, а устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии, называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ), или ветроустановками, и являются автономными

Энергия ветра в механических установках, например на мельницах и в водяных насосах, используется уже несколько столетий. После резкого скачка цен на нефть в 1973 г. интерес к таким установкам резко возрос. Большая часть существующих установок построена в конце 70-х - начале 80-х годов на современном техническом уровне при широком использовании последних достижений аэродинамики, механики, микроэлектроники для контроля и управления ими. Ветроустановки мощностью от нескольких киловатт до нескольких мегаватт производятся в Европе, США и других частях мира. Большая часть этих установок используется для производства электроэнергии, как в единой энергосистеме, так и в автономных режимах.

Одно из основных условий при проектировании ветроустановок - обеспечение их защиты от разрушений очень сильными случайными порывами ветра. В каждой местности в среднем раз в 50 лет бывают ветры со скоростью, в 5-10 раз превышающей среднюю, поэтому ветроустановки приходиться проектировать с большим запасом прочности. Максимальная проектная мощность ветроустановки определяется для некоторой стандартной скорости ветра, обычно принимаемой равной 12 м/с.

Ветроэнергетическая установка состоит из ветроколеса, генератора электрического тока, сооружения для установки на определенной высоте от земли ветряного колеса, системы управления параметрами генерируемой электроэнергии в зависимости от изменения силы ветра и скорости вращения колеса.

Ветроустановки классифицируются по двум основным признакам: геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой, если перпендикулярно-вертикально-осевой.

Принцип действия ветроэнергетической установки состоит в следующем. Ветряное колесо, воспринимая на себя энергию ветра, вращается и посредством пары конических шестерен и с помощью длинного вертикального вала передает свою энергию на нижний горизонтальный трансмиссионный вал и далее посредством второй пары конических шестерен и ременной передачи - электрическому генератору или другому механизму.

Поскольку периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы электрической энергии или быть запараллелены, на случаи безветрия, с электроэнергетическими установками других типов.

Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г основными направлениями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период предусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки. Особенно перспективным считается их использование в сочетании с малыми гидроэлектростанциями для перекачки воды. Применение ветроэнергетических установок для водоподъёма, электроподогрева воды и электроснабжения автономных потребителей к 2010 г. предполагается довести до 15 МВт установленной мощности, что обеспечит экономию 9 тыс. т у т. в год.

Гидроэлектростанция.

Гидроэнергетика представляет отрасль науки и техники по использованию энергии движущийся воды (как правило, рек) для производства электрической, а иногда и механической энергии. Это наиболее развитая область энергетики на возобновляемых ресурсах.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс различных сооружений и оборудования, использование которых позволяет преобразовывать энергию воды в электроэнергию. Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую концентрацию потока воды, а дальнейшие процессы производятся при помощи соответствующего оборудования.

Гидроэлектростанции возводятся на реках, сооружая плотины и водохранилища.

В гидроэлектростанции кинетическая энергия падающей воды используется для производства электроэнергии. Турбина и генератор преобразовывают энергию воды в механическую энергию, а затем - в электроэнергию. Турбины и генераторы установлены либо в самой дамбе, либо рядом с ней.

Рис. 14. Принципиальная схема гидроэлектростанции.