1. Основные виды энергии.

2. Проблемы получения, преобразования, передачи и аккумулирования энергии.

3. Роль энергии в обеспечении потребностей и улучшении качества жизни людей.

4. Социальные проблемы энергетики.

Определение. “Энергия” – общая количественная мера различных форм движения материи.

Для количественной характеристики качественно различных форм движения и соответствующих им взаимодействий принято различать виды энергии:

- механическая;

- электрическая;

- ядерная;

- гравитационная и др.

В качестве универсальной единицы измерения энергии (работы) в системе СИ принят Джоуль, которому в различных системах измерения в зависимости от вида энергии (с учетом переводного коэффициента) соответствуют: ватт-час, эрг, калория и др. Например, внутренняя энергия – энергия системы, зависящая от ее внутреннего состояния, включает в себя энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т.п.), энергию взаимодействия этих частиц, энергию электронных оболочек атомов и ионов, внутриядерную энергию и т.д. В частности, в термодинамике интерес представляет не сама внутренняя энергия системы, а ее изменение при переходе системы из одного состояния в другое. Поэтому под внутренней энергией системы понимаются обычно те ее составляющие, которые изменяются в рассматриваемых термодинамических процессах.

В изолированной системе выполняется закон сохранения энергии.

В теории относительности установлена универсальная связь межу полной энергией тела (E) и его массой (m): Е=mc², где с – скорость света в вакууме.

Физическая сущность различных видов энергии отражается в самом ее названии. При этом в целях детализации и исследования отдельных ее составляющих в системе применяется деление ее на подвиды. Например, подвидами механической энергии являются такие ее составляющие, как кинетическая и потенциальная. В свою очередь, различают кинетическую энергию поступательного и вращательного движения.

. Применение механизмов невозможно без использования источников различного вида энергии, основными из которых в современной жизни являются электрическая и тепловая.

Стремление человека повысить комфортность жизни приводит к появлению широкого спектра электротехники, как бытовой, так и производственной, способствующей повышению производительности труда и снижению утомляемости.

Переоценить роль энергии в преобразовании быта и производства невозможно, так как изобретение новых машин и механизмов в большинстве своем рассчитано на использование того или иного вида энергии для приведения их действие. При этом следует заметить, что в быту основным, если не единственным источником энергии для техники является электрическая энергия. Поэтому не случаен тот факт, что в определенные периоды XX века в развитых странах каждые 10 лет происходило удвоение объемов производства электроэнергии. В 90-х годах прошлого века в России средний уровень потребления энергии в коммунально-бытовом секторе достиг величины 800…900 кВт•ч в год на одного жителя и он был ниже, чем в развитых странах мира.

Все это говорит о том, что повышение комфорта неизбежно повлечет за собой и дальнейшее увеличение энергопотребления.

Энергетика, как и любая другая отрасль производственной деятельности человека, оказывает двоякое влияние на его развитие: с одной стороны, благодаря ей облегчаются условия существования человечества, а, с другой – ухудшается состояние окружающей среды вследствие загрязнения ее отходами производства, расходом природных ресурсов (топливных, земельных, водных) и пр. Развитие энергетики способствует прогрессу и в то же время создает проблемы экологического плана. Общеизвестно, что получение электрической и тепловой энергии на тепловых станциях в силу специфики технологического цикла сопровождается выбросом в атмосферу вредных веществ, изменяющих не только ее состав, но и способствующих возникновению парникового эффекта, влияющего на климат планеты в целом. При производстве ее на атомных станциях возникают проблемы защиты от радиационного излучения, на гидроэлектростанциях – изменению микроклимата (из-за необходимости накопления резерва воды в приплотинном водохранилище ГЭС) и т.д.

Сформировавшаяся сеть электростанций, особенно тепловых, способствовала концентрации населения и развития производства в наиболее обжитых районах, запасы топлива в которых на текущий момент практически исчерпаны. Такое положение дел порождает помимо экологических проблем еще и социальные проблемы, главные из которых заключаются в следующем:

- наращивание производства энергии (энергетических мощностей) должно осуществляться за счет строительства объектов энергетики в отдаленных районах, не имеющих, как правило, ни людских резервов, ни готовой инфраструктуры;

- выработка энергии в отдаленных районах заставляет решать задачу доставки ее потребителю, и формирования обслуживающих предприятий с соответствующей социальной инфраструктурой;

- выработка топливных ресурсов на местах производства электроэнергии (сопровождающаяся закрытием предприятий горнодобывающей промышленности) порождает вопрос о закрытии электростанций либо о подвозе топлива с других месторождений (что лишь временно решает проблему сырьевых ресурсов);

- перевод электростанций на другой вид топлива порождает проблемы транспортировки нового вида сырья и реконструкции предприятия (а также переподготовки кадрового состава работников);

- закрытие объектов энергетики и связанных с ними производств порождает проблему переподготовки и трудоустройства работников закрытых предприятий;

- закрытые объекты необходимо либо перепрофилировать, либо заменить другими предприятиями или жилыми районами.

1. Первичные энергоресурсы.

2.Невозобновляемые и возобновляемые источники энергии. Сравнительная оценка различных видов энергии.

3. Общие понятия о качестве электроэнергии.

Под первичными энергоресурсами обычно понимают источники какого-либо вида энергии или сырье для ее получения.

Одним из первых видов энергии, которую целенаправленно стал использовать человек, является тепловая, получавшаяся в результате сжигания топлива. При этом в качества топлива вначале использовалась древесина, позже – уголь, торф, нефть, газ и т.д. Использование человеком на ранней стадии развития общества перечисленных полезных ископаемых не вносило заметных изменений в экосистему Земли и не ставило задачи по поиску новых источников тепловой энергии в силу малочисленности популяции. Развитие общества и рост численности населения повлек за собой и рост энергопотребления, а развитие промышленности привело к появлению преобразователей тепловой энергии сначала в паровую, а затем и в электрическую как наиболее удобную с точки зрения транспортировки и использования в качестве первоисточника для других видов энергии. Результаты прогресса налицо: при уровне мировой добычи 2003 года теоретически запасы нефти на планете будут исчерпаны по разным оценкам в течение ближайших 50…100 лет, газа – через 80…120 лет, угля – через 1000 лет.

Поэтому перед человечеством встала задача поиска альтернативных перечисленным выше источников тепловой энергии.

“Законсервированная” в топливе тепловая энергия может быть получена и из других источников. Одним из них является лучистая энергия (например, энергия Солнца), которую человек научился использовать также давно, но не в таких масштабах. Теоретический потенциал солнечной энергии, поступающей на Землю в течение года, превышает все извлекаемые запасы органического топлива в 10…20 раз.

Другим примером первоисточника тепловой энергии в чистом виде являются геотермальные источники. Однако расположение их в непосредственной близости от сейсмически активных зон вызывает определенные сложности в их использовании.

К первичным источникам энергии следует, безусловно, отнести и воду. Потенциальная энергия воды издавна использовалась человеком для получения механической. Примером этому служат мельницы. Кинетическая же энергия стала использоваться относительно недавно – с появлением электростанций, использующих энергию приливов и отливов, либо бурно текущих рек. В отличие от топлива энергия воды как первоисточник более долговечна, но также подвержена изменению вследствие тектонических подвижек.

Успехи в области исследования ядра позволили человечеству получить тепловую энергию как побочный продукт ядерной реакции. Однако невысокая надежность первых реакторов привела к негативному отношению населения к самой идее развития ядерной энергетики. Если учесть при этом, что конечным продуктом работы атомных электростанций является радиоактивные элементы, требующие утилизации, то такая реакция людей становится вполне объяснимой. Вместе с тем, развитие науки и совершенствование технологии получения тепловой энергии позволяют уже в настоящее время использовать ядерную энергетику как альтернативу традиционной тепло- и гидроэнергетики. В таких странах, как Япония, Франция и ряде других значительная доля электроэнергии производится на ядерных электростанциях.

Энергия ветра также достаточно длительное время используется человеком. На первой стадии развития ветроэнергетики конечным продуктом преобразования “даровой” энергии ветра была механическая, которая использовалась, например, для помола зерна, подъема воды и пр. И лишь с изобретением электрических машин ветроэнергетика приобрела тот смысл и значение, которое однозначно понимается всеми сейчас – получение электрической энергии. Не останавливаясь на технических подробностях преобразования энергии ветра в электроэнергию, отметим только лишь один аспект – непостоянство напора ветра и его направления, что создает определенные трудности в реализации самой идеи. Вместе с тем, технический прогресс позволил решить и эти проблемы. Оценивая перспективы использования энергии ветра, как первоисточника, следует отметить зависимость ее от климата земли, который, как известно, претерпевает существенное изменение в последнее время. Изменение климата может привести к изменению не только расположения потоков воздушных масс, но и их мощности.

Оценивая различные источники энергии как средство для развития человечества, необходимо учитывать не только такие их показатели, как теоретический и практический КПД преобразования, экологичность и т.д., но и возможности достаточно длительного их использования. С этой точки зрения источники энергии можно классифицировать как невозобновляемые и возобновляемые.

К невозобновляемым относятся такие источники, работа которых основана на использовании полезных ископаемых, таких как нефть, газ, уголь, горючие сланцы, торф и др., запасы которых рано или поздно иссякнут. К возобновляемым – те, которые используются для получения энергии многократно или запасы их в природе настолько велики, что человечество не сможет их исчерпать не только в обозримом будущем, но и на длительную перспективу:

- солнечное излучение (гелиоэнергетика);

- энергия ветра (ветроэнергетика);

- энергия рек и водотоков (гидроэнергетика);

- энергия приливов и отливов;

- энергия волн;

- геотермальная энергия;

- рассеянная тепловая энергия (тепло воздуха, воды, океанов, морей и водоемов);

- энергия биомассы – растительного и животного происхождения, бытовых отходов антропогенной деятельности, органические отходы целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и лесной промышленности, лесозаготовок.

Для проведения сравнительного анализа источников необходимо договориться о конечной форме энергии, которая затем утилизируется человеком. На основании изложенных выше соображений следует предложить, что таким видом энергии является электрическая – как наиболее распространенная и относительно просто преобразуемая в другие виды. С этой целью необходимо составить структурную схему преобразования энергии исходного источника в электрическую, которая представлена на рис. 1

Сравнивая различные виды энергии необходимо, прежде всего, оценить и сопоставить их роль в жизни человека, качество, основное назначение, возможность получения, использования, транспортировки, аккумулирования, экологичности, надежности и безопасности. В процессе развития человек научился использовать практически все виды энергии. Однако доля каждого вида в балансе общего энергопотребления различна.

Тепловая энергия, как указывалось выше, используется человеком издавна. Но если раньше она использовалась главным образом для обогрева жилищ и приготовления пищи, то с развитием техники роль и значение ее несоизмеримо возросли. Она используется для производства электроэнергии, в различных технологических производствах (от выплавки стали до производства сельскохозяйственной продукции) и т.д. и т.п. Тепловая энергия может быть получена, как непосредственно из окружающей среды, так и в результате преобразования из других видов энергии. Хранение ее невыгодно вследствие трудности осуществления изоляции теплоносителя (а ими являются материальные тела) от окружающей среды, что неизбежно ведет к теплообмену и понижению температуры теплоносителя. Транспортировка энергии малоэффективна вследствие тепловой инерции и потерь, вызванных теплообменом с окружающей средой.

Механическая энергия в свободном виде в природе не существует. Она проявляется опосредованно, например, в виде кинетической энергии воды (морские приливы и отливы, течение рек, цунами) или потенциальной – водопады. В чистом виде механическая энергия проявляется только в результате использования механизмов, где происходит перемещение (вращательное или поступательное) объектов или деталей. Как известно, механическая энергия может быть получена при использовании мускульной силы, либо путем преобразования из другого вида энергии (например, в электродвигателе, паровой машине и т.д.). Хранение энергии возможно в виде кинетической (вращающийся маховик), либо в виде потенциальной (энергия сжатой пружины, поднятого груза и т.д.). Однако хранение в таком виде неэффективно вследствие потерь в трущихся частях накопителя (маховик) либо из-за явления усталости (пружина). Транспортировка энергии неприемлема вследствие больших потерь в элементах передачи.

Гравитационная энергия на Земле проявляется в основном опосредованно через морские приливы и отливы и может быть использована главным образов для преобразования в другие виды.

Электрическая энергия в природе существует в виде статических электрических полей и вызываемых ими электрических разрядов (молний). В результате развития науки и техники человек изобрел способы: получения электрической энергии их других источников энергии, причем в таких видах, которые не встречаются в природе (однофазные и многофазные источники различной частоты, формы тока и пр.); хранения ее (главным образом в аккумуляторах постоянного тока); транспортировки (линии электропередач на постоянном и трехфазном переменном токе). Кроме того, придумано много преобразователей электроэнергии в другие виды энергии. Однако, как указывалось выше, производство электроэнергии и транспортировка ее до потребителя сопровождается ухудшением экологической обстановки и повышенной опасностью.

Ядерная энергия может быть получена двумя путями: в процессе цепной управляемой реакции деления ядер атомов либо в процессе управляемого термоядерного синтеза. В обоих случаях в процессе реакции выделяется тепловая энергия, преобразуемая далее в электрическую энергию. В свободном виде энергия в природе не существует. Радиоактивные руды, являющиеся источником ядерной энергии, могут транспортироваться на обогатительные заводы с последующей доставкой на АЭС с соблюдением защитных противорадиационных мер. Отличительной особенностью руд является их самопроизвольный распад, что со временем приводит к истощению запасов сырья.

Химическая энергия (или энергия, выделяющаяся в результате химических реакций) проявляется в виде тепла, которое можно преобразовать в другой вид энергии. В некоторых реакциях на промежуточной стадии выделяются свободные электроны, которые используются, например, в топливных элементах для получения электрического тока. Хранение и транспортировка энергии возможна лишь в виде сырья для химических реакций.

Лучистая энергия (главным образом получаемая от Солнца) может быть получена с помощью зеркал либо фотоэлектрического эффекта. Хранение и транспортировка невозможны без преобразования в длугие виды энергии.

Любая продукция произведенная человеком, в том числе и энергия, характеризуется целым рядом показателей, одним из которых является качество. Поскольку, как выяснилось выше, наиболее распространенной и приспособленной для нужд человека является электроэнергия, остановимся подробно на ее качестве.

Качество электрической энергии определяется ГОСТ 13109-97, который устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения).

При соблюдении указанных норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электрической энергии (приемников электрической энергии).

Нормы, установленные настоящим стандартом, являются обязательными во всех режимах работы систем электроснабжения общего назначения, кроме режимов, обусловленных:

- исключительными погодными условиями и стихийными бедствиями (ураган, наводнение, землетрясение и т. п.);

- непредвиденными ситуациями, вызванными действиями стороны, не являющейся энергоснабжающей организацией и потребителем электроэнергии (пожар, взрыв, военные действия и т. п.);

- условиями, регламентированными государственными органами управления, а также связанных с ликвидацией последствий, вызванных исключительными погодными условиями и непредвиденными обстоятельствами.

Установлены два вида норм КЭ: нормально допустимые и предельно допустимые.

Показателями КЭ являются:

- установившееся отклонение напряжения U_y;

- размах изменения напряжения U_t;

- доза фликера Р_t (фликер — субъективное восприятие человеком колебаний светового потока источников искусственного освещения, вызванного колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники);

- коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения К_U;

- коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения К_U(n);

- коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2U;

- коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К_0U;

- отклонение частоты f;

- длительность провала напряжения t_п;

- импульсное напряжение U_имп;

- коэффициент временного перенапряжения К_{пер U}.

В качестве примера приведем конкретные требования по некоторым показателям.

Отклонение напряжения:

- нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения U_y на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10% от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721 и ГОСТ 21128 (номинальное напряжение).

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения.

Таблица 1 — Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в %

Нормально допустимое значение при Uном, кВ				Предельно допустимое значение при Uном, кВ
0,38	6-20	35	110-330	0,38	6-20	35	110-330
8,0	5,0	4,0	2,0	12,0	8,0	6,0	3,0

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

- коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной (и нулевой) последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

Отклонение частоты:

- нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ± 0,2 и ± 0,4 Гц соответственно.

1. Роль электроэнергии и ее использование в жизни современного общества.

2. Структурные схемы устройств преобразования тепловой энергии в электрическую.

Структурная схема преобразования тепловой энергии в электрическую приводилась выше (см. рис.1).

В качестве источника первичной энергии могут выступать различные вещества. В частности на ТЭС, ГеоТЭС и др. таким веществом является вода, в других установках – легкокипящие жидкости, газы.

В качестве преобразователя энергии выступает турбина, а источником электрической энергии является, как правило, трехфазный генератор переменного тока.

На рис. 4 приведена структурная схема геотермальной тепловой электростанции. Принцип работы установки заключается в следующем. Поступающая по трубопроводам из продуктивной скважины в сепаратор первой ступени пароводяная смесь разделяется на жидкую и газообразную фракции, первая из которых направляется в скважину закачки, а вторая – в сепаратор второй ступени, где производится ее доводка до необходимой кондиции. Из сепаратора пар подается в турбогенератор, где и происходит преобразование его кинетической энергии в энергию вращения вала турбогенератора. Турбогенератор вращает вал ротора трехфазного генератора переменного тока, вырабатывающего электроэнергию. Для защиты установки от чрезмерно повышенного давления пароводяной смеси, поступающей из скважины, на входе установки установлено предохранительное устройство с шумоглушителем.

Геотермальная установка мощностью 1МВт позволяет сэкономить в год 3000 тонн условного топлива.

На рис. 5 приведена структурная схема парокомпрессионного теплового насоса с газотурбинной установкой.

Установка включает в себя три контура: приводной (силовой) контур, состоящий из компрессора К, сидящего на одном валу с турбиной Т и компрессором контура отбора теплоты и камеры сгорания КС, в которой сжигается газ; контур отбора теплоты (ПНТ), в который входит компрессор, конденсатор, дроссель и испаритель; контур подогрева сетевой воды, включающий в себя котел- утилизатор и конденсатор.

Принцип работы установки заключается в следующем. Поступающий в испаритель контура отбора теплоты источник низкопотенциальной теплоты отдаёт часть своей энергии, превращая низкокипящее рабочее тело в пар. Последнее сжимается в компрессоре, за счёт чего повышается эго энергия, и поступает в конденсатор. В конденсаторе в процессе теплообмена происходит подогрев поступающей от потребителя воды и охлаждение рабочего тела, переходящего в жидкую фракцию. Из конденсатора через дроссель рабочее тело вновь поступает в испаритель.

Для приведения вала компрессора ПНТ во вращение используется газотурбинная установка приводного контура, вращение вала, которой осуществляется посредством полученных в камере сгорания газов, подаваемых на лопатки турбины. Отработавшие в турбине нагретые газы выбрасываются в атмосферу через котел-утилизатор, где они охлаждаются, отдавая теплоту подогреваемой воде.

Таким образом, сетевая вода с температурой 60⁰С, проходя через два теплообменника нагревается до температуры 90⁰С.

Структурная схема ресорбционно-компрессионного теплового обменника приведена на рис. 6.

с 50...60⁰С до 80…105⁰С за счёт охлаждения рабочего тела. Подогретая до такой температуры вода вновь поступает в котел, а после нагревания – в потребитель. Охлажденное же в ресорбере рабочее тело поступает в теплообменник, где его температура понижается до необходимой величины, а далее нагнетается насосом в дегазатор.

Установки, работающие на перепаде температур, могут использовать замкнутый и разомкнутый циклы. В установках с замкнутым циклом (Ренкина) легкокипящая жидкость типа фреона, аммиака отработав в парообразном состоянии в турбине, направляется в конденсатор, охлаждаемый наружным воздухом, а оттуда – в парогенератор.

В установках с разомкнутым циклом теплая вода поверхностного слоя океана вскипает в испарителе с низким давлением, затем направляется в турбину, после чего – в конденсатор.

Схема установки для получения электроэнергии за счет перепада температур между проточной водой подо льдом и наружным холодным воздухом приведена на рис. 7.

Принцип работы установки заключается в следующем. Протекающая подо льдом вода нагревает парогенератор 1, рабочее тело в котором переходит из жидкого в газообразное состояние и направляется на лопатки турбины 2, преводящей во вращение вал генератора переменного тока 3. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор 5, где переходит в жидкую фракцию и насосом 4 нагнетается опять в парогенератор. Для повышения эффективности работы конденсатора посредством вентилятора 6 производится его охлаждение атмосферным воздухом.

В номинальном режиме КПД установки составляет 7%.

Для создания автономных источников энергоснабжения, обеспечивающих совместную генерацию электрической и тепловой энергии в отдаленных малонаселенных пунктах, могут быть использованы маломощные ТЭС на базе теплового двигателя Стирлинга с внешним подводом тепла (см. рис. 8). Такой двигатель состоит из винтового маслонаполненного компрессора и винтовой маслонаполненной турбины, вал которой соединен с валами компрессора и генератора. Основным рабочим телом является газ. Масло, частично заполняющее проточную часть винтового компрессора, играет роль смазывающего, гидравлически уплотняющего и отводящего выделяющуюся в процессе сжатия рабочего тела теплоту агента. В выхлопном патрубке компрессора масло отделяется от газа и, охладившись в водяном теплообменнике, вновь впрыскивается на вход компрессора.

В винтовой турбине также используется масло с целью смазки трущихся частей и в качестве уплотнителя. Однако здесь оно впрыскивается горячим с целью подогрева рабочего тела в процессе расширения его в проточной части турбины. Этот подогрев может быть обеспечен как за счет сжигания любого вида топлива при атмосферном давлении при наименьшем загрязнении атмосферы, так и за счет использования любого другого источника тепла.

На рис. 8 приведена структурная схема автономной ТЭС с тепловым двигателем внешнего сгорания.