Получение и преобразование электрической энергии

Энергетические ресурсы планеты

Под энергоресурсами понимаются материальные объекты, в которых сосредоточена возможная для использования энергия. К основным энергоресурсам (то есть, к тем, которые интенсивно используются в настоящее время) относятся: органическое топливо (уголь, нефть, газ), ядерное топливо (тяжелые элементы урана и тория), водоемы (реки, моря).

Энергоресурсы подразделяются на возобновляемые и не возобновляемые. К первым относятся те, которые непрерывно восстанавливаются в природе (вода, ветер) , ко вторым - ранее накопленные в природе, но не образующиеся в новых геологических условиях (каменный уголь, нефть, газ). Природная энергия называется первичной энергией. Энергия, получаемая человеком путем преобразования первичной энергии, - вторичной.

Преобразования первичной энергии осуществляется на энергетических станциях. В названии станции содержится указание на то, какой вид первичной энергии в какую вторичную энергию преобразуется. Гидроэлектростанция преобразует механическую энергию движения воды в электрическую, тепловая электростанция преобразует в электрическую тепловую энергию, образующуюся при сгорании органического топлива,.

Энергетическое производство (получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей) можно разделить на пять стадий:

- получение и концентрация энергетических ресурсов (добыча органического топлива и его обогащение, создание необходимого напора воды с помощью гидротехнических сооружений);

- передача энергоресурсов к преобразующим энергию установкам (перевозка по суше, воде, перекачка по трубопроводам);

- преобразование первичной энергии энергетических ресурсов во вторичную, в наиболее удобной в данных условиях форме (чаще всего в тепловую и электрическую);

- передача и распределение преобразованной энергии;

- потребление энергии различного рода потребителями как в той форме, в которой она доставлена, так и в еще раз преобразованной.

Распределение энергоресурсов по различным районам земли очень неравномерно и обычно не совпадает с местами их наибольшего потребления. Половина всех нефтяных запасов находится на Среднем и Ближнем Востоке, а потребление энергоресурсов в этих районах более чем в 4 раза меньше среднемирового. В настоящее время 90% всей вырабатываемой энергии потребляет около 30% населения Земли.

В 2000 году мировое потребление энергетических ресурсов распределялось следующим образов:

атомная энергия - 10% (130 тысяч кВтч/год);

природный газ - 20%;

нефть - 30%;

уголь - 28%;

гидроэнергия и другие виды - 12%.

Фактически 90% потребляемых энергоресурсов относятся к не возобновляемым.

Оставшихся мировых запасов этих энергоресурсов по оценкам различных экспертов хватит на 100 - 200 лет (при этом не учитываются запасы ядерного топлива).

В России разведанных запасов нефти около 6 млрд. т. (7% общемирового запаса), а добыча составляет 20% от мировой. В США соответственно - 5% и 14%.

Запасы природного газа в России 15%. Особенность нашей страны заключается в том, что основные месторождения нефти, газа, угля расположены в труднодоступных районах Севера.

Распределение источников э/э в СССР и России.

Получение электрической энергии

Первая электростанция в Нижнем Новгороде -1882г.

В Санкт-Петербурге – 1883г.

В Берлине - 1884г.

Работа тепловой электростанции

Рассмотрим упрощенное устройство тепловой электростанции - рисунок 1.

Рисунок 1 - Схема работы тепловой электростанции

Основой ее является котел, в котором за счет сгорания топлива (нефти, угля, газа, или ядерной реакции)происходит нагрев воды до парообразования (с температурой порядка 1000⁰ С). Образующийся пар поступает в пароперегреватель, в котором происходит его охлаждение до 500-600⁰ С. Перегретый пар под давлением 13-25 МПа поступает в турбину, вращая ее колесо (тепловая энергия превращается в механическую). Вал турбины соединен с валом электрического генератора, который и вырабатывает электрическую энергию. Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор пара, в котором происходит его охлаждение до водообразования. Охлажденная вода насосом снова подается в котел. Это так называемая тепловая электростанция. Если отработанный пар используется еще и для снабжения потребителей тепловой энергией, то станцию называют теплоэлектроцентралью - ТЭЦ.

Цикл Карно

В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двухадиабатических и двух изотермических процессов. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником.

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году.

Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно.

Цикл Карно в координатах T-s

Одной из координат в этом графике является ЭНТРОПИЯ – s.

Энтропия выражается функцией:

,

где q – подведенная к рабочему телу теплота, T – его температура при изотермическом процессе.

Для цикла Карно в T,s - диаграмме подведенная q1 и отведенная q2 теплота к рабочему телу представляют площади под изотермическими процессами, которые соответствуют прямоугольникам со сторонами: для q1 - с Т1 и Δs, для q2 - с T2 и Δs. Величины q1 и q2 определяются по формулам изотермического процесса:

Работа цикла Карно равна разности подведенной и отведенной теплоты

В соответствии с последним выражением получить работу возможно только при наличии разности температур у горячего и холодного источников теплоты. Максимальная работа Цикла Карно теоретически была бы при Т2=0, но в качестве холодного источника в тепловых машинах, как правило, используется окружающая среда (вода, воздух) с температурой около 300 К. Кроме этого, достижение абсолютного нуля в природе невозможно (этот факт относится к третьему закону термодинамики). Таким образом, в цикле Карно не вся теплота q1 превращается в работу, а только ее часть, Оставшаяся после получения работы теплота q2, отдается холодному источнику, и при заданных Т1 и Т2 она не может быть использована для получения работы, величина q2 является тепловыми потерями (тепловым отбросом) цикла.

Пусть тепловая машина состоит из: 1)нагревателя с температурой , 2) холодильника с температурой и 3) рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх обратимых стадий, две из которых осуществляются при постоянной температуре (изотермически), а две — при постоянной энтропии (адиабатически). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T (температура) и S (энтропия).

1. Изотермическое расширение (на рис. 1 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты . При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.

2. Адиабатическое расширение (на рис. 1 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника , тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.

3. Изотермическое сжатие (на рис. 1 — процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее температуру , приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты . Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.

4. Адиабатическое сжатие (на рис. 1 — процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя, над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

.

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдаёт холодильнику

.

Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

.

Из последнего выражения следует, что КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела. Этот результат составляет содержание первой теоремы Карно. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю. Это невозможно, но не из-за недостижимости абсолютного нуля (этот вопрос решается только третьим началом термодинамики, учитывать которое здесь нет необходимости), а из-за того, что такой цикл или нельзя замкнуть, или он вырождается в совокупность двух совпадающих адиабат и изотерм.

Поэтому максимальный КПД любой тепловой машины не может превосходить КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника. Это утверждение называется второй теоремой Карно. Оно даёт верхний предел КПД любой тепловой машины и позволяет оценить отклонение реального КПД от максимального, то есть потери энергии вследствие неидеальности тепловых процессов.

Цикл Карно может быть представлен и в координатах P (давление рабочего тела) и V (объем рабочего тела). Понятно, что рабочее тело – это пар в турбине, или газ в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 2. Цикл Карно в координатах P и V

Для того чтобы цикл был обратимым, в нём должна быть исключена передача теплоты при наличии разности температур, иначе нарушается условие адиабатичности процесса. Поэтому передача теплоты должна осуществляться либо в изотермическом процессе (как в цикле Карно), либо в эквидистантном процессе (обобщённый цикл Карно или, для примера, его частный случай Цикл Брайтона). Для того чтобы менять температуру рабочего тела от температуры нагревателя до температуры холодильника и обратно, необходимо использовать либо адиабатические процессы (они идут без теплообмена и, значит, не влияют на энтропию), либо циклы с регенерацией тепла при которых нет передачи тепла при разности температур. Мы приходим к выводу, что любой обратимый цикл может быть сведён к циклу Карно.

Примером обратимого цикла, не являющегося циклом Карно, но интегрально совпадающим с ним, является идеальный цикл Стирлинга: в двигателе Стирлинга добавлен регенератор, обеспечивающий полное приближение цикла к циклу Карно с достижением обратимости и тех же величин КПД.

Если же в цикле возникает передача теплоты при наличии разности температур, а таковыми являются все технические реализации термодинамических циклов, то цикл утрачивает свойство обратимости. Иначе говоря, посредством отведённой в цикле механической работы становится невозможным получить исходную теплоту. КПД такого цикла будет всегда меньше, чем КПД цикла Карно.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: