Способы преобразования различных видов энергии в электрическую: современное состояние и перспективы развития

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ  КИБЕРНЕТИКИ

 

 

реферат

 

«Способы преобразования различных  видов энергии в электрическую:

современное состояние и перспективы  развития»

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы  5А11

Ф.И.О. Палванов Р.Б.

Руководитель:

 

 

Томск 2013 

Содержание

 

Введение 3

Энергия солнца 5

Энергия ветра 8

Энергия воды 10

Геотермальная энергия 13

Энергия биомассы 15

Вторичные энергоресурсы 17

Атомная энергия 18

Производство, распрастранение и потребление электрической энергии 21

Заключение 28

 

Введение

Обычно мы используем имеющиеся  в нашем распоряжении источники  энергии тремя путями. Во-первых, мы можем получать тепловую энергию, сжигая ископаемое топливо, и использовать эту энергию непосредственно  для обогревания жилищ, школ, предприятии и торговых учреждении. Во-вторых, можно преобразовать заключенную в топливе тепловую энергию в работу, например использовать продукты перегонки нефти для приведения в движение различного оборудования, а также автомобилей, тракторов, поездов, самолетов и кораблей. Наконец в-третьих, возможно преобразовать тепловую энергию, высвобождающуюся при сгорании топлива или выделяющуюся при делении ядер урана, в электрическую, а потом направить полученную электрическую энергию либо для производства тепла, либо для выполнения механической работы.

Преобразование различных форм энергии в электрическую практикуется в силу многих причин. В некоторых случаях просто невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. До того как было открыто электричество, энергия падающей воды (гидроэнергия) могла применяться лишь для приведения в движение механических устройств. Прядильные машины, мельницы и лесопилки на мануфактурных производствах приводились в движение энергией падающей воды. Гидроэнергия не имела другого применения до тех пор, пока не был найден способ преобразовывать ее в электричество, что сделало возможным использовать ее для приведения в движение машин, находящихся далеко от места падения воды.

Современное общество зависит от электроэнергии, являющейся главным видом доступной  энергии, а большая часть электроэнергии производится с использованием не возобновляемых ресурсов. Электричество используется в быту и на производстве для освещения  и отопления, а также в технологических  процессах. Во многих развитых странах  потребность в электроэнергии удваивается  каждые десять лет и хотя отмечается некоторое снижение, но в быту и промышленности расходование ее растет.

Энергетические ресурсы — это  любые источники механической, химической и физической энергии. Их можно классифицировать по источникам и местоположению, скорости исчерпания, возможности самовосстановления и другим признакам.

Классификация энергетических ресурсов

Первичные	Вторичные
Невозобновляемые (уголь, нефть, сланцы, природный газ, горючее)	Промежуточные продукты обогащения и  сортировки углей; гудроны, мазуты и  другие остаточные продукты переработки  нефти; щепки, пни, сучья при заготовке  древесины; горючие газы (доменный, коксовый); тепло уходящих газов; горячая  вода из систем охлаждения; отработанный пар силовых промышленных установок
Возобновляемые (древесиа, гидроэнергия, энергия ветра, энергия солнца, геотермальная энергия, торф, термоядерная энергия)

 

Большая часть ресурсов твердых  органических топлив и урана расположена  на территории промышленно развитых стран, тогда как ресурсы нефти  и гидроэнергии сосредоточены в  развивающихся странах Азии, Африки и Латинской Америки. Большая  часть извлекаемых запасов органического  топлива сосредоточена в странах  Северной Америки (40 %) и Азии (35 %), меньше запасов в Западной Европе (12 %), Африке (7 %), Южной Америке и Океании (по 3 %).

Запасы топлива в недрах складываются из угля, нефти, газа и урановых руд. Мировой запас угля оценивается  в 9-11 трлн. т (условного топлива) при  добыче более 4,2 млрд. т/год.

Получение электричества за счет сжигания ископаемого топлива сопровождается появлением большого количества загрязняющих веществ, в том числе твердых  частиц, окислов серы и окислов  азота. Как на тепловых (работающих на ископаемом топливе), так и на атомных электростанциях возникают  тепловые отходы, которые приводят к тепловому (термальному) загрязнению  окружающей среды.

Общество стоит перед необходимостью поиска альтернативных источников энергии. Поиск и освоение новых источников энергии - одна из глобальных проблем  современности. При многообразии представлений  об энергетике будущего доминирует тенденция  всемирной экономии ископаемого  топлива с учетом его неизбежного  удорожания, дефицита и экономических  трудностей добычи и использования.

Мировая энергетическая система, основанная на высокоэффективном использовании  возобновляемых источников энергии, должна быть не только менее централизованной, но и менее уязвимой при различных  экономических потрясениях.

 

Энергия солнца

Эффективный солнечный водонагреватель  был изобретен в 1909 г. После второй мировой воины рынок захватили  газовые и электрические водонагреватели—благодаря доступности природного газа и дешевизне электричества.

Солнце — источник энергии  очень большой мощности. 22 дня солнечного сияния по суммарной мощности, приходящей на Землю, равны всем запасам органического топлива на Земле. Проблема в том, как использовать солнечную энергию в производственных и бытовых целях.

На практике солнечная радиация может быть преобразована в электроэнергию непосредственно или косвенно.

Косвенное преобразование может быть осуществлено путем концентрации радиации с помощью следящих зеркал для превращения воды в пар и последующего использования пара для генерирования электричества обычными способами. Такая система может работать только при прямом освещении солнечными лучами. Из этого следует, что производство энергии будет периодическим и что воспринимающая поверхность, предназначенная для получения заданного количества энергии, должна изменяться в зависимости от интенсивности и продолжительности инсоляции рассматриваемой поверхности. Подсчитано, что для жарких сухих районов, таких, как Западная Америка, Северная Америка или Центральная Австралия, электростанция для производства 1 тыс. МВт при ожидаемой эффективности преобразования потребует суммарной площади коллекторов, равной 13-25 км². Это больше, чем площадь, занимаемая обыкновенной электростанцией, но меньше, чем площадь, занимаемая станцией и открытым карьером для добычи потребляемого ею угля.

Прямое преобразование солнечной энергии в электрическую может быть осуществлено с использованием фотоэлектрического эффекта. Элементы, изготовленные из специального полупроводникового материала, например силикона, при прямом солнечном облучении обнаруживают разность в вольтаже на поверхности, т. е. наличие электрического тока. Преимущество этой системы — в равной эффективности независимо от того, используется ли она в малых элементах — для электроснабжения камеры или в крупных комплексах — для больших зданий. В то же время они дороги, малоэффективны и нуждаются в системе аккумуляторов (обычно батарей) для обеспечения непрерывного энергоснабжения ночью и в пасмурные дни.

Предложен метод использования  солнечной энергии без использования  системы аккумуляторов, основанный на преобразовании разницы температур на поверхности и в глубине океана в электрическую энергию. Ожидается ввод в эксплуатацию опытной станции, основанной на градиенте температуры воды в океане в США.

Американские эксперты считают  многообещающей солнечную термоэнергию, для производства которой используются солнечные рефлекторы, собирающие и концентрирующие тепло и свет, при посредстве которых нагревается вода. Например в России, на Ковровском механическом заводе (г. Жуковск) выпускают солнечные тепловые коллекторы для подогрева воды производительностью до 100 тыс. м³ в год.

Стоимость солнечных батарей быстро уменьшается (в 1970г. 1 кВт-ч электроэнергии, вырабатываемой с их помощью стоил 60 долл., в 1980 г - 1 долл., сейчас — 20-30 центов). Благодаря этому спрос на солнечные батареи растет на 25 % в год, ежегодный объем их продажи превышает (по мощности) 40 МВт. КПД солнечных батарей достигавший в середине 70-х годов в лабораторных условиях 18% составляет в настоящее время 28,5 % для элементов из кристаллического кремния и 35 % - из двухслойных пластин из арсенида галлия и антимода галлия. Разработаны многообещающие элементы из тонкопленочных (толщиной 1-2 мкм) полупроводниковых материалов: хотя их КПД низок (не выше 16 % даже в лабораторных условиях), стоимость очень мала (не более 10% от стоимости современных солнечных батарей).

Фотоэнергетика весьма перспективна для сельских районов развивающихся стран, так фотоэлектрическая установка, если учитывать весь ее жизненный цикл, более выгодна, чем дизель-генератор мощностью до 20 кВт. В Индии, где действуют 4-5 млн дизельных водяных насосов средней мощностью 3,5 кВт каждый, объем продажи фотоэлектроустановок для их замены может достичь 1 тыс. МВт — в 25 раз больше их нынешнего мирового сбыта.

Солнечная энергия может быть использована для теплоснабжения (горячего водоснабжения, отопления), сушки различных продуктов  и материалов, в сельском хозяйстве, в технологических процессах  в промышленности.

Солнечное теплоснабжение получило развитие во многих зарубежных странах. Большинство  установок солнечного теплоснабжения оборудовано солнечным коллектором. Только в США эксплуатируются  солнечные коллекторы площадью 10 млн. м², что обеспечивает годовую экономию топлива до 1,5 млн. т. В нашей стране аналогичная площадь не превышает 100 тыс. м².

Представляется, что прямое преобразование солнечной энергии станет краеугольным камнем энергетической системы. Хотя в  настоящее время фотогальваничьские солнечные системы малоэффективны и получаемая на них энергия в 4 раза дороже гелиотермической, но они, тем не менее, используются во многих отдаленных районах, и вполне вероятно, что стоимость электроэнергии, получаемой этим способом, быстро снизится. В ближайшее время могут появиться системы с к.п.д., приближающимся к 20%, а к концу текущего десятилетия ученые надеются довести стоимость 1 кВт/ч электроэнергии до 10 центов.

Энергия солнца, как полагают эксперты, — квинтэссенция энергетики, поскольку  фотоэлектрические установки не оказывают воздействия на природную  среду, бесшумны, не имеют движущихся частей, требуют минимального обслуживания, не нуждаются в воде. Их можно монтировать в отдаленных или засушливых районах, мощность таких установок составляет от нескольких ватт (портативные модули для средств связи и измерительных приборов до многих мегаватт (площадь несколько миллионов квадратных метров). 

Энергия ветра

 

Энергия ветра - это косвенная форма  солнечной энергии, являющаяся следствием разности температур в атмосфере  земли. В 80-е гг. стоимость 1 кВт*ч ветровой энергии была снижена на 70% и теперь составляет 6 - 8 центов, что делает ее конкурентоспособной по отношению к энергии, получаемой на новых тепловых электростанциях, сжигающих уголь. Специалисты уверены, что ветряные турбины скоро будут усовершенствованы и станут эффективными. Так, Соединенные Штаты Америки к 2030 г. смогут получать 10 - 20% электроэнергии за счет данного источника.

Ветроэнергия при скоростях более 5 м/сек используется для выработки электроэнергии.

В России осваивается производство ветроэнергетических систем, состоящих  из 10—15 установок мощностью до 1—2 МВт. Общие запасы ветроэнергии на территории России огромны, но пока из-за низкого КПД (0,25-0,7) и большой металлоемкости (до 500 кг/кВт) ветроустановки неконкурентоспособны с традиционными источниками.

Национальные программы освоения энергии ветра развернуты в Канаде, ФРГ, США, Франции, Швеции и других странах.

Преобразование энергии ветра  в электричество составило в 80-е  годы в мировом масштабе 1660 МВт, причем 85 % этой энергии было произведено  в штате Калифорния, США. В частности, в районе калифорнийского города Алтамаунт-Пасс на принадлежащем фирме «Pasific Gas and Electric» комплексе действует 7500 ветроустановок, причем стоимость вырабатываемой ими электроэнергии составляет 7 центов/кВт-ч (на современных ТЭС она составляет 5 центов/кВт-ч). При этом в установках Алтамаунт-Пасс применяются конструктивные и технологические решения большой давности, исключая использование композиционных материалов при производстве лопастей ветроагрегатов и микропроцессоров для контроля за работой генераторов. Их высокая эффективность была достигнута благодаря быстрому внедрению решений, неожиданно возникавших в процессе строительства и эксплуатации и продиктованных практической целесообразностью, что совершенно невозможно применить к крупным ТЭС и АЭС.

Что же касается более передовых  достижений в ветроэнергетике, то в  институте EPRI и на фирме «WindPower» (Ливермор, штат Калифорния) создали прототип ветровой энерготурбины переменной частоты вращения мощностью 300 кВт. Конструкция лопастей и внедрение электронной системы управления обеспечивают вращение ротора с оптимальной частотой в широком диапазоне скоростей ветра. Кроме того, установка отличается пониженным накоплением усталостных напряжений в материалах и невысокой стоимостью эксплуатации. Дальнейшее совершенствование аэродинамических и электронных компонентов ветроэнергоустановок, как полагают в Министерстве энергетики США, позволит в ближайшие 20 лет уменьшить стоимость вырабатываемой ими электроэнергии до 3,5 центов/кВт-ч с умеренными ветровыми ресурсами. С экономической точки зрения наиболее выгодно подключать ветроустановки к энергосистемам в периоды пиковых нагрузок (в Алтамаунт-Пасс и Солано, штат Калифорния на их долю приходится 50 % энергии пиковых нагрузок).