829

Глава 2 Источники энергии

Под и с т о ч н и к о м э н е р г и и следует понимать материальное тело (или тела), доля энергетического потенциала которого может быть передана другим объектам.

При производстве сельскохозяйственной продукции, ее переработке, хранении, в обеспечении бытовых и технологических процессов используются различные виды энергии. Это химическая энергия топлив, солнечная энергия, электрическая энергия, внутренняя энергия окружающей среды и др. Формой передачи энергии от еѐ источника к потребителю является в большинстве случаев теплота. Теоретические основы и особенности взаимопреобразование различных видов энергии с участием теплоты подробно рассмотрены в

Источники энергии в подавляющем случае природного происхождения. Часть из них извлекают из недр Земли или вод Мирового океана, их запасы постепенно уменьшаются. Это так называемые н е в о з о б н о в л я е м ы е источники энергии. Другая часть природных источников энергии имеет хотя и непостоянную концентрацию по месту и времени, но постоянно в о – з о б н о в л я е м у ю энергию: солнечное излучение, энергия движения вод

вморях и океанах, энергия движения воздуха в атмосфере и т.д.

Кисточникам энергии искусственного происхождения относят вещества созданные человеком, например, бензин, спирт, кокс и др.

2.1. Невозобновляемые источники энергии

2.1.1. Энергия химических топлив

тельные реакции, в результате которых происходит перераспределение энергетических связей между элементами, участвующими в реакции.

Химические элементы, подвергающиеся окислению в процессе сгорания, принято называть г о р ю ч и м и .

Химические же элементы, которые в процессе реакции восстанавливаются, называют о к и с л и т е л я м и .

Кгорючим элементам относят углерод (С), водород (Н), алюминий (Al), литий (Li) и др.

Кэлементам, способным восстанавливаться, относят кислород (O), фтор (F), хлор (Cl).

Как те, так и другие элементы могут входить в химические соединения, обладающие либо свойствами горючих, либо свойствами окислителей. Так,

11

этиловый спирт C2 H5 OH , включающий углерод, водород и кислород, используется в качестве горючего, а воздух, состоящий из кислорода и инертного азота, применяется как окислитель.

Совокупность горючего и окислителя называют химическим топливом, а его составляющие – компонентами.

Компоненты топлива не всегда можно представить молекулярной формулой. Однако во всех случаях состав горючего, окислителя или топлива в целом можно задать, если воспользоваться у с л о в н о й химической формулой, Условной ее называют потому, что рассматривается компонент или топливо с условной молярной массой, равной 1000 г/моль. Тогда один моль рассматриваемого вещества будет равен 1кг массы. Так соединение, состоящее из углерода, водорода, кислорода, азота имеет в общем виде условную химическую формулу Сbc Hbh Obo Nbn . Здесь индекс у химического элемента означает число грамм-атомов этого элемента в соединении.

Массовая доля элемента в компоненте находится опытным путем. Если компонент задан химической формулой, то для определения qi используется выражение

qi = , (2.2)

где zi – число атомов i-го элемента в молекуле компонента.

Для примера химическую формулу воды H2O переведем в условную формулу. Используя выражение (2.2), вычислим массовые доли водорода и кислорода в воде.

между горючими и окислительными элементами. Это соотношение характеризуется с т е х и о м е т р и ч е с к и м к о э ф ф и ц и е н т о м .

12

Под массовым стехиометрическим коэффициентом понимают наименьшее теоретически необходимое количество килограммов окислителя, потребное для полного окисления одного килограмма горючего.

Обозначают массовый стехиометрический коэффициент К0 и измеряют

вкг ок , где (ок - окислитель, г - горючее).

кг г

При стехиометрическом соотношении предполагается использование полных валентностей химических элементов.

Формула для определения К0 имеет вид:

с ее знаком;

bi – число грамм-атомов i -го элемента в условной химической формуле.

Таблица 2.1 – Валентность некоторых химических элементов

Если действительное количество окислителя, подаваемое для сгорания 1 кг горючего, отличается от теоретически необходимого, то такая смесь будет характеризоваться д е й с т в и т е л ь н ы м к о э ф ф и ц и е н т о м соотношения компонентов, обозначаемым К:

Отличие действительного соотношения от стехиометрического оценивается к о э ф ф и ц и е н т о м и з б ы т к а о к и с л и т е л я , который равен

ваемые из недр вещества органического происхождения, которыми являются уголь, нефть, природный газ.

13

Антрацит, каменный и бурый уголь, торф, сланцы, дрова – относят к твердым горючим естественного происхождения. Твердые горючие искус-

ственного происхождения это кокс, древесный уголь, брикеты из древесных и растительных отходов.

Нефть – жидкое органическое горючее естественного происхождения. Из нефти путем ее переработки (принципиальная схема переработки нефти приведена на рис. 2.1) получают бензин, керосин, мазут и др., см. Последние являются органическими горючими искусственного происхождения.

Природные и попутные нефтяные газы (метан, этан, пропан, бутан) прекрасные органические горючие естественного происхождения. К искусственным газообразным горючим относятся генераторные газы (воздушной, водяной, подземной газификации), побочные газы (доменный, крекинговый).

Обычно энергия химического топлива освобождается в процессе горения в форме теплоты. Количество теплоты, выделившееся при сгорании 1 кг топлива, называют т е п л о т о й с г о р а н и я т о п л и в а, обозначают

Qв и измеряют в Дж/кг. Если в качестве окислителя используется воздух, то выделившееся тепло относят только к массе горючего. В большинстве случаев не удается использовать всю теплоту Qв. поскольку часть ее уносится с парами воды в продуктах сгорания в виде скрытой теплоты парообразования Qw. Поэтому теплоту сгорания Qв называют в ы с ш е й, а разность

Qн = Qв – Qw – н и з ш е й т е п л о т о й с г о р а н и я.

В табл. 2.2 приведены значения Qн при сгорании в воздухе ряда горючих.

Таблица 2.2 – Низшая теплота сгорания некоторых горючих в воздухе

Для сравнительной оценки энергоресурсов различных источников введен единый эквивалент – у с л о в н о е т о п л и в о (у. т.). Расчетная теплота сгорания условного топлива равна 29,308 МДж/кг.

Технология получения искусственного углеводородного горючего из природной нефти объясняется рисунком 2.1.

14

Рис. 2.1. Принципиальная схема переработки нефти

Сырую нефть обезвоживают, удаляют из нее попутные газы, а затем нагревают до 350 0С. Далее смесь паров и горячей нефти в ректификационной колонне при атмосферном давлении разгоняют на фракции: бензиновую

(около 15%, tк = 30…180 0С); керосиновую (около 17%, tк = 150 …280 0С);

газойлевую и соляровую (около 18% , tк = 280 … 350 0С). Жидкий осадок с температурой начала кипения 330 … 350 0С называется мазутом.

15

2.1.2 Ядерная энергия

Ядерная энергия – энергия связи нуклонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер. В последнем случае еѐ принято называть «термоядерной».

Промышленное использование ядерной (атомной) энергии стало возможным благодаря осуществлению искусственно регулируемого процесса расщепления ядер, которое происходит в результате бомбардировки нейтронами атомов делящегося вещества – я д е р н о г о т о п л и в а. Устройства, в которых протекает управляемая самоподдерживающаяся ядерная реакция называют я д е р н ы м и (атомными) р е а к т о р а м и.

В качестве ядерного топлива применяют в основном природный уран. Природный уран – это смесь трех изотопов с атомными массами 238, 235 и 234. Основная часть массы в количестве 99,28% приходится на долю U238 и только 0,714% – U235; 0,006% – U234. Из этих изотопов непосредственно используется U235, так как его ядра расщепляются под воздействием нейтронов любой энергии. Практическое использование U238 возможно при его обогащении ураном U235. С целью воспроизводства ядерного топлива на специальных заводах осуществляется сложнейший процесс разделения изотопов.

В реакторах на быстрых нейтронах из U238 получают новый делящийся материал – плутоний Pu239 , а из тория Th232 – уран U233. Таким образом, количество ядерного топлива существенно увеличивается. По расчетам специалистов ядерные энергоресурсы можно увеличить в 15–25 раз.

При делении ядра U235 освобождающаяся энергия распределяется между различными продуктами деления следующим образом, МэВ:

–кинетическая энергия осколков деления . . . . . . ……. 168;

–энергия нейтронов деления . . . . . . . . . . . . . . . . . ………. 5;

–энергия мгновенного - излучения . . . . . . . . . . . …….. 5;

–энергия - распада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………. 7;

– энергия фотонов - распада осколков деления . . …… 6;

–энергия нейтрино . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……. 11.

Вс е г о . . . . . . . . . . . . . . . … 220

Энергия, уносимая нейтрино, не может быть уловлена.

Кинетическая энергия осколков деления в теплоносителе преобразуется в теплоту. Так 1 кг ядерного топлива обеспечивает получение мощности 2000 кВт в течение года.

Ядерное топливо применяется в реакторах в виде металлических стержней, которые обладают высокой эффективностью использования нейтронов, хорошей теплопроводностью, значительным сопротивлением термическим ударам (внезапным изменениям теплового режима при выключении и включении реактора). Но твердое металлическое ядерное топливо имеет и ряд недостатков: низкую температуру плавления (tпл = 1133 0С), малую прочность и др. Эти недостатки в меньшей мере присущи различным

16

видам керамического ядерного топлива – двуокиси урана UO2 (tпл = 2800 0С),

карбиду урана UC (tпл = 2700 0С) и др.

По мимо твердых, на базе указанных выше делящихся материалов, готовят жидкие и газообразные ядерные топлива.

ядерного топлива поглощается теплоносителем и нагревает его. Роль теплоносителя могут выполнять жидкие

вещества (вода, расплавленный металл) или газы (гелий, воздух). Для защиты от радиоактивных излучений активная зона ядерного реактора ограждена толстыми (1,5 – 2 м) бетонными стенами 4. Отражатель 5 предотвращает утечку нейтронов из реактора. В настоящее время в мире создано большое количество типов ядерных реакторов, как для стационарных атомных станций, так и для различных транспортных средств. На рис. 2.3 приведена принципиальная схема водоводяной атомной электростанции.

Кдостоинствам ядерного топлива относят:

-высокую удельную энергию;

-сравнительную простоту доставки к энергоустановкам;

-отсутствие выбросов в атмосферу вредных газов.

Ограничения в использовании ядерной энергии обусловлены проблемами, возникающими при эксплуатации реакторов, а также относительной дороговизной ядерного топлива и сложностью утилизации его отходов.

17

18

2.2. Возобновляемые источники энергии

2.2.1. Солнечная энергия

Самыми мощными источниками энергии являются Солнце и звезды. С поверхности Солнца ежесекундно излучается энергии 3,8·1026 джоулей. Примерно половина этой энергии приходится на видимый спектр излучения, остальная часть – на инфракрасные и тепловые лучи.

Количество солнечной энергии, падающей на единицу нормальной к лучам поверхности, находящейся за пределами атмосферы, в единицу времени, называется с о л н е ч н о й п о с т о я н н о й. Солнечная постоянная зависит от расстояния до Солнца и на верхний слой земной атмосферы приходится в среднем 1353 Вт/м2. До поверхности Земли доходит значительно меньше энергии, так как она поглощается атмосферой, отражается облаками, преломляется в воздухе. Несмотря на это, лучистый поток от Солнца в безоблачный день внушителен. Так, например, солнечная батарея (фотоэлектрический генератор) площадью в 1 м2 с коэффициентом полезного действия 15 % выдает в безоблачный день 0,25 кВт электроэнергии.

Значительная часть солнечной энергии, достигающей Земли, без вмешательства человека участвует в образовании биомассы растений (ф и т о м а с с ы). Фитомасса, являясь своеобразным аккумулятором, обла-

дает энергетическим потенциалом, превышающим приблизительно в 20 раз энергию полезных ископаемых земной коры. С участием человека солнечная энергия используется при производстве сельскохозяйственной продукции растительного происхождения. В меньшей степени пока нашло прямое преобразование солнечной энергии в теплоту (тепловые гелиоустановки) и электроэнергию (термоэлектрогенераторы). Эти и другие преобразователи солнечной энергии достаточно подробно изложены в работах [1] и [2].

Важнейшим достоинством солнечной энергии являются ее возобновляемость, безвредность для окружающей среды и отсутствие необходимости в средствах ее доставки. Недостаточное использование солнечной энергии на территории России связано с малой плотностью лучистого потока, его неравномерности из-за смены дня и ночи и перемен погоды. Однако, решение проблем, связанных с концентрацией солнечной энергии и ее аккумуляцией, открывает широкую перспективу для этого вида неисчерпаемой энергии.

2.2.2. Энергия движения воздуха в атмосфере

Движение воздуха в атмосфере возникает вследствие неравномерного горизонтального распределения давления, которое, в свою очередь, обусловлено неоднородностью температурного поля у земной поверхности. Горизонтальную составляющую этого движения называют в е т р о м. Ветер характеризуется скоростью и направлением. При скорости 5…8 м/с ветер считает-

19

ся умеренным, свыше 14 м/с – сильным. При шторме скорость ветра порядка 20…25 м/с, а при урагане – 60…80 м/с.

Потенциал энергии ветра колоссален: 96·1021 Дж, что составляет почти 2% солнечной энергии, падающей на землю. Практическое применение имеет энергия умеренного и сильного ветра. В зонах с умеренным ветровым режимом на 1км2 можно получить годовую выработку электроэнергии около

3,6 МДж.

Использовать энергию ветра человечество научилось давно (парусные суда, ветряные мельницы). В настоящее время ветровые силовые установки в основном применяются для выработки электроэнергии. По данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации WWEA за 2006 г. в мире функционирует более 40 000 ветроэлектрических агрегатов, суммарная мощность которых превышает 73 900 МВт. В ближайшее десятилетие ожидается увеличение мирового объема инвестиций в ветроэнергетику почти в девять раз.

Блок – схема преобразователя кинетической энергии ветра в какиелибо другие виды энергии представлена на рис. 2.4.

5

К потре - бителю

3

2.4. Блок – схема ветроэнергетической установки:

1 – ветроагрегат; 2 – рабочая машина; 3 – аккумулирующее устройство; 4 – дублирующий двигатель; 5 – блок автоматического управления

Ветроагрегат 1 в комплексе с одной или несколькими рабочими машинами 2 передает энергию либо сразу потребителю, либо в аккумулирующее устройство 3. В случае недостаточной энергии ветра включается в работу неветровой дублирующий двигатель 4. Система 5 выполняет функции автоматического управления и регулировки режимов работы. На рис. 2.5 представлена одна из современных ветроэлектрических установок.

К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и возобновляемость. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам движется к установленному на его пути ветродвигателю. Эти особенно-

20