Реферат Энергетика. Будущее и настоящее
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Факультет химико-технологический
Кафедра технологии неорганических веществ
Домашняя работа №1 по дисциплине
Концепции современного естествознания
На тему: «Энергетика. Будущее и настоящее»
Студент О.А. Зубарева
Группа ЭУ-191101
Преподаватель, профессор, д.т.н. В.Н. Десятник
Екатеринбург
2009
Оглавление
Введение ………………………………………………………………………………………………………3
Общие положения ……………………………………………………………………………………….4
Типы и виды электростанций……………………………………………………………………….6
Альтернативные источники энергии ………………………………………………………....11
Солнечная энергия ……………………………………………………………………………………..12
Энергия ветра ……………………………………………………………………………………………..13
Морская энергия ………………………………………………………………………………………..14
Энергия рек ………………………………………………………………………………………………..15
Энергия мирового океана …………………………………………………………………………16
Энергия земли …………………………………………………………………………………………..17
Энергия из отходов ……………………………………………………………………………………18
Энергия навоза ………………………………………………………………………………………….19
Водородная энергетика …………………………………………………………………………….20
Выводы……………………………………………………………………………………………………… 21
Список литературы …....................................................................................23
Введение
Нынешнее общество к концу ХХ века столкнулось с энергетическими проблемами, которые приводили даже к кризисам. Человечество старается найти новые источники энергии, которые были бы выгодны во всех отношениях: простота добычи, дешевизна транспортировки, экологическая чистота, восполняемость. Уголь и газ отходят на второй план: их применяют только там, где невозможно использовать что-либо другое. Всё большее место в нашей жизни занимает атомная энергия: её можно использовать как в ядерных реакторах космических челноков, так и в легковом автомобиле.
Но ведь все традиционные источники энергии обязательно закончатся, особенно при постоянно возрастающих потребностях людей. Поэтому на рубеже XXI века человек стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Есть и другие причины, в связи с которыми человечество обратилось к альтернативным источникам энергии. Во-первых, непрерывный рост промышленности, как основного потребителя всех видов энергии (при нынешней ситуации запасов угля хватит примерно на 270 лет, нефти на – 35 – 40 лет, газа – на 50 лет). Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. И, в третьих, экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов. Не менее важной причиной необходимости освоения альтернативных источников энергии является проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, что двуокись углерода (СО2), высвобождаемая при сжигании угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепловое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем и создает так называемый парниковый эффект.
Общие положения
Электроэнергетика - отрасль промышленности, занимающаяся производством электроэнергии на электростанциях и передачей ее потребителям, является также одной из базовых отраслей тяжёлой промышленности.
Энергетика является основой развития производственных сил в любом государстве. Энергетика обеспечивает бесперебойную работу промышленности, сельского хозяйства, транспорта, коммунальных хозяйств.
Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики, электрификации. Мощность электрических машин (в зависимости от их назначения) различна: от долей ватта (микродвигатели, применяемые во многих отраслях техники и в бытовых изделиях) до огромных величин, превышающих миллион киловатт (генераторы электростанций).
Человечеству электроэнергия нужна, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах - размножителях плутоний. Поэтому важно на сегодняшний день найти выгодные источники электроэнергии, причем выгодные не только с точки зрения дешевизны топлива, но и с точки зрения простоты конструкций, эксплуатации, дешевизны материалов, необходимых для постройки станции, долговечности станций.
Электроэнергетика вторглась во все сферы деятельности человека: промышленность и сельское хозяйство, науку и космос. Представить без электроэнергии наш быт также невозможно. Столь широкое распространение объясняется ее специфическими свойствами: возможности превращаться практически во все другие виды энергии (тепловую, механическую, звуковую, световую и другие); способности относительно просто передаваться на значительные расстояния в больших количествах; огромным скоростям протекания электромагнитных процессов; способности к дроблению энергии и образование ее параметров (изменение напряжения, частоты).
Основным потребителем электроэнергии остается промышленность, хотя ее удельный вес в общем полезном потреблении электроэнергии во всём мире значительно снижается. Электроэнергия в быту является основной частью обеспечения комфортабельной жизни людей
Типы и виды электростанций
Теплоэнергетика
Первые ТЭС появились в конце XIX века. .Принцип работы тепловых станций основан на последовательном преобразовании химической энергии топлива в тепловую и электрическую энергию. Основным оборудованием ТЭС является котел, турбина, генератор. В котле при сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине водяной пар превращается в механическую энергию вращения. Генератор превращает энергию вращения в электрическую. Тепловая энергия для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины либо котла.
Тепловые электростанции имеют как свои преимущества, так и недостатки. Положительным по сравнению с другими типами электростанций является относительно свободное размещение, связанное с широким распространением и разнообразием топливных ресурсов; способность вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний. К отрицательным относятся следующие факторы: ТЭС обладает низким коэффициентом полезного действия, если последовательно оценить различные этапы преобразования энергии, то увидим, что не более 32% энергии топлива превращается в электрическую. Топливные ресурсы нашей планеты ограничены, поэтому нужны электростанции, которые не будут использовать органическое топливо. Кроме того, ТЭС оказывает крайне неблагоприятное воздействие на окружающую среду.
Гидроэнергетика
По количеству вырабатываемой энергии на втором месте находятся гидравлические электростанции (ГЭС). Они производят наиболее дешевую электроэнергию, но имеют довольно большую себестоимость постройки. Современные ГЭС позволяют производить до 7 млн. кВт энергии, что вдвое превышает показатели действующих в настоящее время ТЭС и, пока, АЭС, однако размещение ГЭС в Европе затруднено по причине дороговизны земли и невозможности затопления больших территорий в данных регионах. Важным
недостатком ГЭС является сезонность их работы, столь неудобная для промышленности.
ГЭС можно разделить на две основные группы: ГЭС на крупных равнинных реках и ГЭС на горных реках.
Существует три основных вида ГЭС:
1. Гидроэлектрические станции.
Технологическая схема их работы довольна проста. Естественные водные ресурсы реки преобразуются в гидроэнергетические ресурсы с помощью строительства гидротехнических сооружений. Гидроэнергетические ресурсы используются в турбине и превращаются в механическую энергию, механическая энергия используется в генераторе и превращается в электрическую энергию.
2. Приливные станции.
Природа сама создает условия для получения напора, под которым может быть использована вода морей. В результате приливов и отливов уровень морей меняется на северных морях - Охотском, Беринговом, волна достигает 13 метров. Между уровнем бассейна и моря создается разница и таким образом создается напор. Так как приливная волна периодически изменяется, то в соответствии с ней меняется напор и мощность станций. Пока еще использование приливной энергии ведется в скромных масштабах. Главным недостатком таких станций является вынужденный режим. Приливные станции
(ПЭС) дают свою мощность не тогда, когда этого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов воды. Велика также стоимость сооружений таких станций.
3. Гидроаккумулирующие электростанции.
Их действие основано на цикличном перемещении одного и того же объема воды между двумя бассейнами: верхним и нижним. В ночные часы, когда потребность электроэнергии мала, вода перекачивается из нижнего водохранилища в верхний бассейн, потребляя при этом излишки энергии, производимой электростанциями ночью. Днем, когда резко возрастает потребление электричества, вода сбрасывается из верхнего бассейна вниз через турбины, вырабатывая при этом энергию. Это выгодно, так как остановки
ТЭС в ночное время невозможны. Таким образом ГАЭС позволяет решать проблемы пиковых нагрузок. ГЭС являются весьма эффективными источниками энергии, поскольку используют возобновимые ресурсы, они просты в управлении и имеют высокий КПД - более 80%. В результате производимая энергия на ГЭС самая дешевая. Огромное достоинство ГЭС – возможность практически мгновенного автоматического запуска и отключение любого требуемого количества агрегатов. Но строительство ГЭС требует длительных сроков и больших удельных капиталовложений, это связано с потерей земель на равнинах, наносит ущерб рыбному хозяйству.
Атомная энергетика.
Первая в мире АЭС - Обнинская была пущена в 1954 году в России.
Персонал 9 российских АЭС составляет 40,6 тыс. человек или 4% от общего числа населения занятого в энергетике.
Чернобыльская катастрофа вызвала сокращение программы атомного строительства, с 1986 г. в эксплуатацию были введены только 4 энергоблока.
АЭС, являющиеся наиболее современным видом электростанций, имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций: при нормальных условиях функционирования они обсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику сырья и соответственно могут быть размещены практически везде, новые энергоблоки имеют мощность практичеки равную мощности средней ГЭС, однако коэффициэнт использования установленной мощности на АЭС (80%) значительно превышает этот показатель у ГЭС или ТЭС.
1. Существующие трудности в использовании атомной энергии – захоронение радиоактивных отходов. Для вывоза со станций сооружаются контейнеры с мощной защитой и системой охлаждения. Захоронение производится в земле, на больших глубинах в теологически стабильных пластах.
2. Катастрофические последствия аварий на некоторых устаревших АЭС – следствие несовершенной защиты системы.
3. Тепловое загрязнение используемых АЭС водоёмов.
Функционирование АЭС, как объектов повышенной опасности, требует участия государственных органов власти и управления в формировании направлений развития, выделения необходимых средств.
Альтернативные источники энергии
К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века. Что же произойдет тогда, – а это рано или поздно случится, – когда месторождения нефти и газа будут исчерпаны? Поэтому в общую типологию электростанций включаются электростанции, работающие на так называемых нетрадиционных или альтернативных источниках энергии. К ним относят: энергию приливов и отливов; энергию малых рек; энергию ветра; энергию Солнца; геотермальную энергию; энергию горючих отходов и выбросов; энергию вторичных или сбросовых источников тепла и другие.
Возрастанию числа электростанций на альтернативных источниках энергии будут способствовать следующие принципы: более низкая стоимость электроэнергии и тепла, получаемая от нетрадиционных источников энергии, чем от всех других источников; возможность практически во всех странах иметь локальные электростанции, делающие их независимыми от общей энергосистемы; доступность и технически реализуемая плотность, мощность для полезного использования; возобновляемость нетрадиционных источников энергии; экономия или замена традиционных энергоресурсов и энергоносителей; замена эксплуатируемых энергоносителей для перехода к экологически более чистым видам энергии; повышение надежности существующих энергосистем.
Солнечная энергия
Солнце - неисчерпаемый источник энергии - ежесекундно дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше, чем все электростанции мира.
Однако поскольку интенсивность солнечного света не всегда и не везде одинакова, то даже при установке множества солнечных батарей, зданию потребуется дополнительный источник электричества. Одним из возможных решений этого вопроса является использование солнечных элементов в комплексе с двухсторонним топливным элементом. В дневное время, когда работают солнечные элементы, избыточную электроэнергию можно пропускать через водородный топливный элемент и таким образом получать водород из воды. Ночью же топливный элемент сможет использовать этот водород для производства электроэнергии.
Компактная передвижная электростанция сконструирована германским инженером Хербертом Бойерманом. При собственном весе 500 кг она имеет мощность 4 кВт, иначе говоря, способна полностью обеспечить электротоком достаточной мощности загородное жилье. Это довольно хитроумный агрегат, где энергию вырабатывают сразу два устройства - ветрогенератор нового типа и комплект солнечных панелей. Первый оснащен тремя полусферами, которые (в отличие от обычного ветрового колеса) вращаются при малейшем движении воздуха, второй - автоматикой, аккуратно ориентирующей солярные элементы на светило. Добытая энергия накапливается в аккумуляторном блоке, а тот стабильно снабжает током потребителей.
Энергия ветра
На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас очень быстро и непредсказуемо. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность “ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом. Существуют интересные разработки по созданию принципиально новых механизмов для преобразования энергии ветра в электрическую. Одна из таких установок порождает искусственный сверхураган внутри себя при скорости ветра в 5 м/с. Ветровые двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры. И, тем не менее, всего одна электростанция, работающая на ископаемом топливе, может заменить по количеству полученной энергии тысячи ветряных турбин.
При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока.
Морская энергия
В последнее время в некоторых странах снова обратили внимание на те проекты, которые были отвергнуты ранее как малоперспективные. Так, в частности, в 1982 году британское правительство отменило государственное финансирование тех электростанций, которые используют энергию моря: часть таких исследований прекратилась, часть продолжалась при явно недостаточных ассигнованиях от Европейской комиссии и некоторых промышленных фирм и компаний. Причиной отказа в государственной поддержке называлась недостаточная эффективность способов получения “морского” электричества по сравнению с другими его источниками, в частности - атомными.
Наиболее совершенен проект “Кивающая утка”, предложенный конструктором С. Солтером. Поплавки, покачиваемые волнами, дают энергию стоимостью всего 2,6 пенса за 1 кВт/ч, что лишь незначительно выше стоимости электроэнергии, которая вырабатывается новейшими электростанциями, сжигающими газ (в Британии это - 2,5 пенса), и заметно ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за 1 кВт/ч).
Энергия рек
Примерно 1/5 часть энергии, потребляемой во всём мире, вырабатывают на ГЭС. Её получают, преобразуя энергию падающей воды в энергию вращения турбин, которая в свою очередь вращает генератор, вырабатывающий электричество. Гидростанции бывают очень мощными. Так, станция Итапу на реке Парана на границе между Бразилией и Парагваем развивает мощность до13000 млн. кВт.
Энергия малых рек также в ряде случаев может стать источником электроэнергии. Роторная установка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на стремнину, притапливается на придонную “лыжу” и тросами закрепляется с двух берегов. Остальное - дело техники: мультипликатор вращает автомобильный генератор постоянного тока напряжением 14 вольт, и энергия аккумулируется.
Энергия мирового океана
Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной. Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Ocean Thermal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана в электрическую). В августе 1979 года вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная
–53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точнее – на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабатываемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.
Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой виды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около
700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т.е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак. Установка мини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод для забора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м с внутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощью особого затвора, позволяющего в случаи необходимости ого быстрое отсоединение. Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба–судно. Впервые в истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузку полезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученный при эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощную теплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще более мощных систем подобного типа.
Энергия земли
Тепло от горячих горных пород в земной коре тоже может генерировать электричество. Через пробуренные в горной породе скважины вниз накачивается холодная вода, а в вверх поднимается образованный из воды пар, который вращает турбину. Такой вид энергии называется геотермальной энергией. Она используется, например, в Новой Зеландии и Исландии.
Энергия из отходов
Одним из наиболее необычных видов использования отходов человеческой деятельности является получение электроэнергии из мусора. Проблема городских свалок стала одной из наиболее актуальных проблем современных мегаполисов. Но, оказывается, их можно еще использовать для производства электроэнергии.
Разлагаясь на свалках, мусор выделяет газ, 50-55 % которого приходится на метан, а 45-50% - на углекислый газ и около одного процента - на другие соединения. Если раньше выделяемый газ просто отравлял воздух, то теперь в США его начинают использовать в качестве горючего в двигателях внутреннего сгорания с целью выработки электроэнергии. Только в мае 1993 года 114 электростанций, работающих на газе от свалок, произвели 344 МДж электроэнергии. Самая крупная из них, в городе Уиттиер, производит за год
50 МДж. Станция мощностью 12 МВт способна удовлетворить потребность в электроэнергии жителей 20 тысяч домов. По подсчетам специалистов, газа на свалках США хватит для работы небольших станций на 30-50 лет. При наличии эффективной технологии мы могли бы сократить количество мусорных
“курганов”, а заодно значительно пополнить и восполнить запасы энергии, благо “дефицита сырья” для ее производства не предвидится.
Энергия навоза
Казалось бы, что может быть неприятнее навоза? Много проблем связано с загрязнением водоемов отходами звероводческих хозяйств. Большие количества органического вещества, попадающие в водоемы, способствуют их загрязнению.
Известно, что теплоцентрали - активные загрязнители окружающей среды, свинофермы и коровники - тоже. Однако из этих двух зол можно составить нечто хорошее. Именно это произошло в английском городе
Пиделхинтоне, где разработана технология переработки навоза свиней в электроэнергию. Отходы идут по трубопроводу на электростанцию, где в специальном реакторе подвергаются биологической переработке. Образующийся газ используется для получения электроэнергии, а переработанные бактериями отходы - для удобрения. Перерабатывая 70 тонн навоза ежедневно, можно получить 40 КВт/ч.
Водородная энергетика
Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей и т.п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.
Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ. Водород – синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газа либо путем разложения воды. В современной экономике водород остается скорее химическим, нежели энергетическим сырьем.
Большое внимание уделяют термолитическому методу, который (в перспективе) заключается в разложении воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такой температурный предел инженеры еще не освоили в больших технологических агрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературных реакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтому исследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько стадий, что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000°С.
Выводы:
Итак, потребление энергии – важный показатель жизненного уровня, во все временные эпохи. В то время, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж, в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.
Так же, неоспорима роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы прямо или косвенно больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.
Традиционные источники энергии по-прежнему занимают ведущее положение в мировой электроэнергетике. Однако за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю.
Но все равно, альтернативную энергию повсеместно можно будет использовать только тогда, когда традиционного топлива станет настолько мало, что его цена станет баснословно высокой; или когда экологический кризис поставит человечество на грань самоуничтожения. Уже сейчас можно существенно преуменьшить вероятность парникового эффекта и ликвидировать все экологически неблагоприятные районы за счёт использования чистой альтернативной энергии. Однако этого до сих пор не произошло из-за низкой рентабельности такого строительства. Никто не хочет вкладывать свои деньги в то, что сможет окупиться только через несколько столетий. Ведь подготовительные работы для использования любого альтернативного источника энергии стоят очень дорого, кроме того, они не всегда безопасны как для людей, так и для окружающей среды.
Ну, и в заключение, хочется сказать, что нет сомнения в том, что атомная энергетика заняла прочное место в энергетическом балансе человечества. Она, безусловно, будет развиваться и впредь, безотказно поставляю столь необходимую людям энергию. Однако понадобятся дополнительные меры по обеспечению надежности атомных электростанций, их безаварийной работы, а учёные и инженеры сумеют найти необходимые решения.
Список литературы
1. Байбаков Н.К., От Сталина до Ельцина. Гоз-Оилпресс, 1998г.
2. Волков С.Г., Гидроэнергетика, СПб, 1997г.
3. Вольфберг Д.Б.,Теплоэнергетика. Современное состояние и перспективы развития энергетики мира 1998.№9
4. Клименко А.В., Зорина В.М., Теплотехника и теплоэнергетика т.1 Общие вопросы, Издательство МЭИ. Москва 1999г.
5. Непорожний П.С., Попков В.И., Энергетические ресурсы мира, М. Энергоатомиздат, 1995г.,
