Нетрадиционная энергетика и окружающая среда

МИНЕСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАНИТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ  И ИНФОРМАТИКИ

Факультет: Приборостроение  и радиоэлектроника

Кафедра: Метрология, сертификация и диагностика                                                                           Спец. 200503

Дисциплина: Физические: Основы испытаний и сертификации

Домашняя контрольная  работа

На тему: Нетрадиционная энергетика и окружающая среда.

Студента 3 курса

Группы ПР2-10-01Д

Лучина Ильи Игоревича

Шифр 10062

Руководитель

Геращенко Елена  Константиновна

Москва

2012

Оглавление

Введение

Энергия – всеобщая основа природных  явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время под энергией (греческое – действие, деятельность) понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую.

Согласно представлениям физической науки, энергия – это способность  тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная). Последние три вида относятся к внутренней форме энергии, т.е. обусловлены потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетической энергией их беспорядочного движения.

Если энергия – результат  изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.

Если энергия – результат  изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения  по отношению к другим телам, то она называется потенциальной; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.

Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.

Механическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.  
К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах – транспортных и технологических.

Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется  для получения механической энергии  с помощью электродвигателей  и осуществления механических процессов  обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Химическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических  реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую  в гальванических элементах и  аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.  
Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергии  тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать  как «оборотную» сторону другой.

Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия  – это энергия излучения. Излучение  переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).

Бытует и старое название данного  вида энергии – атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению  колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.

Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.

Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную, энергию взаимодействия тел –  механическую, энергию молекулярных взаимодействий – тепловую, энергию атомных взаимодействий – химическую, энергию излучения – электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов – ядерную.

Современная наука не исключает  существование и других видов  энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения  энергии принят 1 Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен 1 ньютон метр (Нм). Если расчеты связаны  с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт•час (Вт•ч, кВт•ч, МВт•ч), 1 Вт•ч=3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг•м=9,8 Дж.

Энергия, непосредственно извлекаемая  в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована  в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной. В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости можно классифицировать и первичную энергию.

При классификации первичной энергии  выделяют традиционные и нетрадиционные виды энергии. К традиционным относятся такие виды энергии, которые на протяжении многих лет широко использовались человеком. К нетрадиционным видам энергии относят такие виды, которые начали использоваться сравнительно недавно.

К традиционным видам первичной  энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).

Энергия, получаемая человеком, после  преобразования первичной энергии  на специальных установках - станциях, называется вторичной (электрическая  энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).

Преимущества электрической энергии. Электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии  и по праву может считаться  основой современной цивилизации. Подавляющее большинство технических  средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.  
Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть - в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет.

Электрическая энергия – более универсальный вид энергии. Она нашла широкое применение в быту и во всех отраслях народного хозяйства. Насчитывается свыше четырехсот наименований электробытовых приборов: холодильники, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, телевизоры, магнитофоны, осветительные приборы и т.д. Нельзя представить промышленность без электрической энергии. В сельском хозяйстве применение электричества непрерывно расширяется: кормление и поение животных, уход за ними, отопление и вентиляция, инкубаторы, калориферы, сушилки и т.д.

Электрификация – основа технического прогресса любой отрасли народного хозяйства. Она позволяет заменить неудобные для использования энергетические ресурсы универсальным видом энергии – электрической энергией, которую можно передавать на любое расстояние, превращать в другие виды энергии, например, в механическую или тепловую, делить ее между потребителями. Электричество – очень удобный для применения и экономичный вид энергии. 
 
 Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в повседневной жизни человека:

1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использована  для самых различных целей.  В частности, ее очень просто  превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках  света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.

2. При потреблении электрической  энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.

3. В процессе производства и  передачи электрической энергии,  можно концентрировать ее мощность, увеличивать напряжение и передавать  по проводам как на малые,  так и на большие расстояния  любое количество электрической  энергии от электростанции, где она вырабатывается, всем ее потребителям.

Общая характеристика современного энергетического  производства

Энергетика – область общественного производства, охватывающая добычу энергетических ресурсов, выработку, преобразование, передачу и использование различных видов энергии. Энергетика каждого государства функционирует в рамках созданных соответствующих энергосистем.

Энергосистема – совокупность энергетических ресурсов; всех видов, методов и средств их получения, преобразования, распределения и использования, обеспечивающих снабжение потребителей всеми видами энергии.

В энергосистему входят:

• электроэнергетическая система;
• система нефте- и газоснабжения;
• система угольной промышленности;
• ядерная энергетика;
• нетрадиционная энергетика.

Из всех вышеперечисленных в  Республике Беларусь наиболее представлена электроэнергетическая система.

Электроэнергетическая система – совокупность взаимосвязанных единством схем и режимов оборудования и установок по производству, преобразованию и доставке конечным потребителям электрической энергии. Электроэнергетическая система включает в себя электрические станции подстанции, линии электропередачи, центры потребления электрической энергии.

Энергетика – одна из форм природопользования. В перспективе, с точки зрения технологии, технически возможный объем получаемой энергии практически неограничен, однако энергетика имеет существенные ограничения по термодинамическим (тепловым) лимитам биосферы. Размеры этих ограничений близки к количеству энергии, усваиваемой живыми организмами биосферы в совокупности с другими энергетическим процессами, идущими на поверхности Земли. Увеличение этих количеств энергии, вероятно, катастрофично или, во всяком случае, кризисно отразится на биосфере.  
Наиболее часто в современной энергетике выделяют традиционную энергетику, основанную на использовании органического и ядерного топлива, и нетрадиционную энергетику, основанную на использовании возобновляемых и неисчерпаемых источников энергии.

Нетрадиционная энергетика и ее характеристика

Главным фактором роста энергопроизводства является рост численности населения  и прогресс качества жизни общества, который тесно связан с потреблением энергии на душу населения. Сейчас на каждого жителя Земли приходится 2 кВт, а признанная норма качества – 10 кВт (в развитых странах). Если все население Земли рано или поздно должно иметь душевое потребление  
10 кВт, то с учетом теплового барьера численность населения не должна превышать 10 млрд. чел. Таким образом, развитие энергетики на невозобновляемых ресурсах ставит жесткий предел численности населения планеты. Однако уже через 75 лет население Земли может достигнуть 20 млрд. чел. Отсюда видно: уже сейчас надо думать о сокращении темпов прироста населения примерно вдвое, к чему цивилизация совсем не готова. Очевиден надвигающийся энергодемографический кризис. Это еще один веский аргумент в пользу развития нетрадиционной энергетики.

  Многие специалисты энергетики считают, что единственный способ преодоления кризиса – это масштабное использование возобновляемых источников энергии: солнечной, ветровой, океанической, или как их еще называют нетрадиционных. Правда, ветряные и водяные мельницы известны с незапамятных времен, и в этом смысле они – самые, что ни есть традиционные.  
 В наши дни поворот к использованию энергии ветра, солнца, воды происходит на новом более высоком уровне развития науки и техники.

Использование традиционных энергоресурсов, кроме поглощения кислорода, приводит к значительному загрязнению окружающей среды. Ограниченность энергоресурсов, влияние их использования на состав атмосферного воздуха и другие негативные воздействия на окружающую среду (образование отходов, нарушение пластов земной коры, изменение климата) вызывают повышенный интерес во всем мире к нетрадиционным источникам энергии, к которым относятся: солнечная энергия; энергия ветра; геотермальная энергия; энергия океанов и морей в виде аккумулированной теплоты, морских течений, морских волн, приливов и отливов, использование водорослей, сельскохозяйственных и городских отходов, биомассы.

Экономическое сравнение электростанций разного типа (на 1991 год) представлено ниже.

Экономически целесообразным считается  строительство электростанций с  удельными капитальными затратами до 2000 USD/кВт.

Удельные мощности нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для сопоставления и сравнения  с традиционными источниками  представлены ниже:

Говоря о НВИЭ, необходимо также  отметить, что многие из них на единицу  произведенной электроэнергии и  обеспечение функционирования требуют  расхода природных источников энергии.

 
Энергетические потребности для производства электроэнергии при использовании возобновляемых источников

Ветроэнергетика

   Ветровая энергетика – это получение механической энергии от ветра с последующим преобразованием ее в электрическую. Имеются ветровые двигатели с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Энергию ветра можно успешно использовать при скорости ветра 5 и более м/с. Недостатком является шум.

Ориентиром в определении технического потенциала Республики Беларусь могут  служить официальные оценки возможной  доли ветроэнергетики в сложившейся  структуре электропотребления таких стран, как Великобритания и Германия. Доля ветроэнергетики в этих странах оценена в 20%.  
Потенциал энергии ветра в мире огромен. Теоретически эта энергия могла бы удовлетворить все потребности Европы. Последние инженерные успехи в строительстве ветровых гене-раторов, способных работать при низких скоростях, делают ис-пользование ветра экономически оправданным. Однако, ограни-чения на строительство ВЭС, особенно в густонаселенных райо-нах, значительно снижают потенциал этого источника энергии.

Наибольшая доля (до 3%) в производстве электроэнергии ВЭС получена в 1993 г. в Дании, где ветровые турбины  рассеяны по всей стране. Строительство  современных ВЭС началось здесь  в конце 70-х годов. А в начале 80-х в штате Калифорния (США) наблюдался особенно интенсивный рост ВЭС. Принятие здесь закона о налоговых льготах на инвестиции в возобновляемые источники энергии в дополнение к федеральным налоговым льготам создало благоприятную обстановку. В результате Калифорния превратилась в мирового лидера по производству электроэнергии из ветра. США могут потерять это лидерство, так как в ЕС поставили цель вырабатывать в 2005 г. 8 тыс. МВт ветровой электроэнергии, что составляет 1% потребностей ЕС в электроэнергии. Дания, Германия и Нидерланды должны довести к этому времени выработку электроэнергии из ветра по крайней мере до 5000 МВт.

Стоимость ветровой энергии снижается  на 15% в год и даже сегодня может  конкурировать на рынке, а главное  – имеет перспективы дальнейшего  снижения в отличие от стоимости  энергии, получаемой на АЭС (последняя повышается на 5% в год); при этом темпы роста ветроэнергетики в настоящее время превышают 25% в год. Использование энергии ветра в различных государствах набирает силу.

Опыт освоения энергии ветра  в развитых государствах показывает, что наиболее оптимальными являются ветроустановки мощностью более 100 кВт, особенно в диапазоне 200—500 кВт. При этом в Дании, например, стоимость 1 кВт•ч. электроэнергии, произведенной на ветроэлектростанции, дешевле, чем на теплоэлектростанции.

Гелиоэнергетика

Гелеоэнергетика – получение энергии от Солнца. Имеется несколько технологий солнечной энергетики. Фотоэлектрогенераторы для прямого преобразования энергии излучения Солнца, собранные из большого числа последовательно и параллельно соединенных элементов, получили название солнечных батарей.

Развитие ветроэнергетики в странах

Получение электроэнергии от лучей  Солнца не дает вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых солнечных батарей также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных элементов с использованием таких экзотических материалов, как арсенид галлия или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами.

Cолнечные батареи занимают много  места. Однако в сравнении с  другими источниками, например  с углем, они вполне приемлемы.  Более того, солнечные батареи  могут помещаться на крышах  домов, вдоль шоссейных дорог,  а также использоваться в  богатых солнцем пустынях.

Особенности солнечных батарей  позволяют располагать их на значительном расстоянии, а модульные конструкции  можно легко транспортировать и  устанавливать в другом месте. Поэтому  солнечные батареи, применяемые  в сельской местности и в отдаленных районах, дают более дешевую электроэнергию. И, конечно, солнечных лучей по всему земному шару найдется больше, чем других источников энергии.

Жители отдаленных районов используют энергию солнечных батарей для  освещения, радиовещания и других бытовых нужд. Практическое применение солнечной энергии следует отметить также при подъеме воды из скважин и на нужды здравоохранения.

Главной причиной, сдерживающей использование  солнечных батарей, является их высокая  стоимость, которая в будущем, вероятно, снизится благодаря развитию более эффективных и дешевых технологий. Нынешняя стоимость солнечной электроэнергии равняется 4,5 долларов за 1 Вт мощности и, как результат, цена 1 кВт•ч электроэнергии в 6 раз дороже энергии, полученной традиционным путем сжигания топлива. Когда же цена производства солнечной энергии сравняется с ценой энергии от сжигания топлива, оно получит еще более широкое распространение, причем с начала 90-х гг. темпы роста гелио-энергетики составляют 6% в год, в то время как мировое потребление нефти растет на 1,5% в год.

Возможно использование солнечной  энергии для получения тепловой, в частности, для отопления жилищ.

Интересны примеры использования  солнечной энергии в разных странах.  
В условиях Великобритании жители сельской местности покрывают потребность в тепловой энергии на 40–50% за счет использования энергии Солнца.

В Германии (под Дюссельдорфом) проводились  испытания солнечной водонагревательной установки площадью коллекторов 65 м2. Эксплуатация установки показала, что  средняя экономия тепла, расходуемого на обогрев, составила 60%, а в летний период – 80-90%. Для условий Германии семья из 4 человек может обеспечить себя теплом при наличии энергетической крыши площадью 6–9 м2.  
Современные солнечные коллекторы могут обеспечить нужды сельского хозяйства в теплой воде в летний период на 90%, в переходный период – на 55-65%, в зимний – на 30%.

В Австрии установлено, что для  обеспечения 80% теплой водой в жилых  сельских домах на 1 человека требуется  установка солнечных коллекторов с поверхностью 2–3 м2 и емкостью бака для воды 100–150 л. Установка площадью 25 м2 с емкостью для нагретой воды на 1000–1500 л обеспечивает теплой водой 12 человек или небольшой сельский двор.

Наиболее эффективно в странах  ЕС солнечные энергоустановки эксплуатируются в Греции, Португалии, Испании, Франции: выработка энергии солнечными энергоустановками составляет соответственно 870000, 290000, 255200, 174000 МВт ч в год.

В целом по Европейскому союзу вырабатывается 185600 МВт•ч в год (по данным 1992 г.).

Наибольшей суммарной площадью установленных солнечных коллекторов  располагают: США – 10 млн. м2, Япония – 8 млн. м2, Израиль – 1,7 млн. м2, Австралия  – 1,2 млн. м2. В настоящее время 1 м2 солнечного коллектора вырабатывает электрической  энергий:

• 4,86–6,48 кВт•в сутки;
• 1070–1426 кВт•ч в год.

Нагревает воды в сутки:

• 420–360 л (при 30°С);
• 210–280 л (при 40°С);
• 130–175 л (при 50°С);
• 90–120 л (при 60°С).

Экономит в год:

• электроэнергии – 1070-1426 кВт•ч;
• условного топлива – 0,14-0,19 т;
• природного газа – 110-145 нм3;
• угля – 0,18-0,24 т;
• древесного топлива – 0,95-1,26 т.

Площадь солнечных коллекторов 2–6 млн. м2 обеспечивает выработку 3,2—8,6 млрд. кВт•ч энергии и экономит 0,42–1,14 млн. т.у.т. в год.

Биоэнергетика

Биоэнергетика– это энергетика, основанная на использовании биотоплива. Она включает использование растительных отходов, искусственное выращивание биомассы (водорослей, быстрорастущих деревьев) и получение биогаза. Биогаз – смесь горючих газов (примерный состав: метан – 55-65% , углекислый газ – 35-45% , примеси азота, водорода, кислорода и сероводорода), образующаяся в процессе биологического разложения биомассы или органических бытовых расходов. Способы промышленного получения биогаза известны с конца прошлого века (1885 г.).  
В мире эксплуатируется более 8 млн. установок для получения биогаза.

Биомасса – наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулирования возобновляемой энергии. Под термином «биомасса» подразумеваются любые материалы биологического происхождения, продукты жизнедеятельности и отходы органического происхождения. Биомасса будет на Земле, пока на ней существует жизнь. Ежегодный прирост органического вещества на Земле эквивалентен производству такого количества энергии, которое в десять раз больше годового потребления энергии всем человечеством на современном этапе.

Источники биомассы, характерные для  нашей республики, могут быть разделены  на несколько основных групп:

1. Продукты естественной вегетации  (древесина, древесные отходы, торф, листья и т.п.).  
2. Отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твердые бытовые отходы, отходы промышленного производства и др.).  
3. Отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помет, стебли, ботва и т.д.).  
4. Специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры и растения.

Переработка биомассы в топливо  осуществляется по трем направлениям.

   Первое: биоконверсия, или разложение органических веществ растительного или животного происхождения в анаэробных (без доступа воздуха) условиях специальными видами бактерий с образованием газообразного топлива (биогаза) и/или жидкого топлива (этанола, бутанола и т.д.). В настоящее время в Бразилии на этаноле, полученном в результате разложения биомассы из отходов сахарного тростника, работает городской автотранспорт и многие личные автомобили. В США этанол получают из отходов кукурузы. Этанол является хорошим заменителем бензина, при этом в отличие от нефти биомасса является достаточно быстро возобновляемым ресурсом. К биоконверсии относится также получение тепловой энергии при аэробном микробиологическом окислении органических веществ. Так по научному называется компостирование и биоподогрев, о чем знает каждый огородник.  
 Второе: термохимическая конверсия (пиролиз, газификация, быстрый пиролиз, синтез) твердых органических веществ (дерева, торфа, угля) в «синтез-газ», метанол, искусственный бензин, древесный уголь.