РАЗДЕЛ IV. СИСТЕМА ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ГОРОДА. КАЧЕСТВО ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ
Проблемы, которые сегодня мы создали в мире, не могут быть решены на уровне мышления, который их породил.
А. Эйнштейн.
(1879 – 1955)
Энергетика Москвы
| Это вы знаете Опираясь на знания, полученные в курсе физики, дайте ответ на следующие вопросы: 1. Что такое энергия? 2. Что представляет собой потенциальная энергия и какие виды потенциальной энергии вы знаете? 3. Дайте определение внутренней энергии. От чего зависит внутренняя энергия тела? |
| Как работать с параграфом 1. Прочитайте текст параграфа. Уточните ответы, данные вами в начале урока. 2. В процессе чтения письменно ответьте на следующие вопросы: · Что представляют собой тепловые двигатели? · Какова зависимость КПД от температуры теплоисточника? · Каким образом повышают КПД тепловых двигателей? · Что представляет собой система энергообеспечения Москвы? · Какое топливо используют на тепловых электростанциях Москвы? · Чему равен коэффициент использования тепла на московских ТЭЦ и каковы пути его повышения? · Опишите принцип работы парогазовой установки. · Как обеспечиваются потребности Москвы в электроэнергии? 3. Обсудите свои ответы с соседом по парте. Уточните ответы на вопросы. |
«Энергия» (от греческого слова еnergeia) в переводе на русский язык означает «движение», «деятельность». Под энергией понимают способность системы совершать работу или передавать теплоту. Энергию нельзя создать или уничтожить. Согласно первому закону термодинамики, её можно превратить из одной формы в другую.
|
|
|
| Это может вас заинтересовать Различают два вида энергии: потенциальную – энергию положения тела в каком-либо поле (гравитационном, электромагнитном) и кинетическую – представляющую собой энергию движущегося тела. В ХIХ в. было доказано, что макротела обладают внутренней энергией. Внутренняя энергия равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения молекул (атомов) и потенциальной энергии взаимодействия всех молекул друг с другом. |
Главным источником энергии на нашей планете является Солнце. Человек использует тепло и свет, исходящие от Солнца, а также накопленную в течение миллионов лет энергию фотосинтеза в виде ископаемых: угля, нефти и газа, – исчерпаемых природных ресурсов. Солнце является также источником энергии возобновляемых ресурсов, таких как растения и животные, составляющие основу питания человека; энергии рек и ветра.
Рис. 1. Энергетический баланс Земли.
Первым энергетическим ресурсом, используемым человеком, были дрова. До сих пор примерно треть человечества пользуется в основном дровами для приготовления пищи и обогрева жилищ.
|
|
|
Со второй половины XVIII в. человек начал использовать уголь и паровую машину. Тепловые двигатели – это устройства, способные превращать внутреннюю энергию топлива в механическую. Сейчас большая часть двигателей – тепловые двигатели. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Это достигается повышением температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива. Однако полностью превратить внутреннюю энергию в работу невозможно. Повысить КПД позволяет увеличение температуры нагревателя. Однако любой материал обладает ограниченной теплостойкостью. В настоящее время существуют жаростойкие стали, выдерживающие температуру 1300 °С.
| Это может вас заинтересовать Механическая работа может быть полностью переведена в теплоту. Но не наоборот. Только часть тепла системы может быть переведена в работу. Количественно это характеризуется коэффициентом полезного действия, выраженным через абсолютные температуры. КПД = (Т1 – Т2)/Т1, где Т1 – температура нагревателя, Т2 – температура холодильника (воздуха). Данная формула показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. |
|
|
|
Электрический ток возникает в контуре проводника при изменении магнитного поля или при движении контура в постоянном магнитном поле. Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем 29 августа 1831 г. Сегодня для получения электрического тока используются электромеханические индукционные генераторы – устройства, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую.
Великие имена
Майкл Фарадей (1791-1867)
Английский физик и химик. Открыл много новых органических соединений, в том числе бензол. Его основные достижения лежат в области электричества и магнетизма. Впервые сообщил об индуктивном способе получения электрического тока с помощью магнитного поля. Изобрел первый электромотор и динамо- машину. Обнаружил влияние магнитного поля на свет, а также открыл диамагнетизм и дал ему название.
|
Развитие Москвы определялось обеспечением её энергией. Источником энергии в нашем городе изначально были дрова. Позже, с началом промышленной революции, стал использоваться уголь. В 1906 году в Москве была запущена первая тепловая электростанция с паровыми турбинами, обеспечивавшая движение трамваев и освещение центральных улиц и некоторых зданий. Её мощность составляла 5 МВт. В 1930 годы для получения энергии в Москве широко использовался подмосковный торф, добываемый в Шатуре.
|
|
|
Сейчас московский регион на 85% обеспечивается электрической энергией, вырабатываемой 17 электростанциями общей мощностью 10600 МВт, входящими в Мосэнерго.
Мосэнерго – крупнейшая в России компания по выработке тепла. Централизованное теплоснабжение удовлетворяет 75% потребностей Москвы и Московской области. Из-за климатических условий населению Москвы для создания комфортных условий проживания и работы требуется в 1,5 раза больше тепла, чем жителям Берлина, в 3 раза больше, чем жителям Токио.
Основное количество энергии вырабатывается на электростанциях, использующих пар с температурой 650°С и давлением 10 атмосфер. Этот пар поступает в турбину. Она состоит из нескольких ступеней. Пар, последовательно проходя через них, постепенно остывает, затем в теплообменнике нагревает воду, которую используют для обогрева жилищ и предприятий. Генераторы тепловых электростанций вырабатывают ток напряжением в десятки КВт (киловольт). Для передачи электрической энергии по проводам напряжение повышают в трансформаторах до сотен КВт, чтобы снизить энергетические потери. Мощность современных тепловых электростанций достигает сотен МВт.
Основным видом топлива для всех тепловых электростанций Москвы является природный газ, резервным – мазут. Природный газ сегодня –наиболее экологически чистое топливо. Он не содержит соединений серы, азота и тяжёлых металлов.
Коэффициент использования тепла на таких ТЭЦ не превышает 38%. Его можно повысить, заменив паровые турбины и котлы на парогазовые установки. В этих установках вращение вала турбины обеспечивается продуктами горения, образовавшимися при сжигании природного газа. Отработанные в газовой турбине продукты горения поступают в котёл-утилизатор. Там они генерируют пар с температурой 500°С и давлением 80 атмосфер, достаточным для работы паровой турбины, к которой подсоединён ещё один генератор. Суммарный коэффициент полезного действия достигает в этом случае 58%. В Японии работает установка с КПД 63%. Отработанный пар используют для обогрева.
В Москве первая ПГУ (парогазовая установка) пущена в Мытищах в 2007 г. Это самая экологически чистая тепловая электростанция в Европе.
Принципиальная схема парогазовой установки представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Принцип работы парогазовой установки.
Промышленность Москвы потребляет около 55% электроэнергии; транспорт, включая метро, – около 2%; оставшаяся часть электроэнергии используется в быту.
Москва включена в объединённую энергосистему (ОЭС) «Центр» европейской части России линиями электропередач 110, 220, 500 и 750 кВ. Они передают электроэнергию на кольцо подстанций вокруг Москвы, из которого однофазные потребители получают энергию с напряжением 220 В. Всего на территории России существуют 7 ОЭС.
| Подумайте и ответьте 1. Какие газы образуются при сгорании природного газа, угля, мазута? 2. Каковы последствия влияния на окружающую среду тепловых электростанций? |
| Оцените свою работу на уроке · Я работал хорошо (самостоятельно отвечал на вопросы, внимательно читал параграф, находил и записывал ответы на вопросы, работая в паре, уточнял ответы на них). · Я не справился с работой. Почему? Что оказалось наиболее трудным? |
Альтернативная энергетика
(дополнительный текст к параграфу 27 «Энергетика Москвы»)
| Это вы знаете Какие альтернативные источники энергии могут быть использованы для производства электроэнергии? |
Как работать с текстом «Альтернативная энергетика»
1. Ознакомьтесь с содержанием текста.
2. По заданию учителя разделитесь на 5 групп по 4–5 человек.
3. Работая в группе, отметьте преимущества и недостатки различных видов электростанций.
4. При этом первая группа даёт характеристику гидроэнергетике; вторая – геотермальной энергетике; третья – ветроэнергетике; четвёртая –возможностям прямого использования солнечной энергии; пятая – водородной энергетике.
5. Информацию занесите в таблицу.
6. Представьте результат работы группы. 7. Дополните таблицу недостающей информацией со слов участников других групп. |
Гидроэнергетика
Человек научился использовать энергию текущей воды в глубокой древности. В Египте, Китае, Индии орошение проводилось подъёмом воды на поля с помощью специальных колёс с закреплёнными на ободе ковшами. Водяные мельницы известны с XIII века до нашей эры.
Гидроэнергетика сегодня представляет собой пример крупномасштабного получения энергии за счёт возобновляемого источника – воды.
В 1987 г. 21 % электроэнергии, или 6 % всей энергии в мире, было получено на гидроэлектростанциях.
Принцип работы гидроэлектростанции всегда одинаков. Плотина перекрывает поток воды. Вода собирается в водохранилище перед плотиной. Под действием своего веса она через водоводы направляется в турбины, расположенные, как правило, внизу плотины. Струя воды раскручивает лопасти турбины, жёстко соединённые с её валом. Непосредственно на валу закреплён электрогенератор.
Рис. 3. Внешний вид гидрогенератора.
Рис.4. Устройство гидрогенератора.1 - статор; 2 - ротор; 3 - водяная турбина.
Ток по шинам большого сечения передается на трансформаторы, повышающие напряжение, чтобы уменьшить тепловые потери при передаче его на большие расстояния, затем – на распределительные устройства и идёт к потребителям.
Электрогенераторы большей части гидроэлектростанций могут вырабатывать как постоянный, так и переменный ток.
Создаваемые плотиной водохранилища способны накапливать огромный объём воды. Например, на Братской ГЭС содержится 169 кубокилометров, а Асуанская плотина аккумулирует 162 кубокилометра воды. Водохранилища регулируют сезонный сток воды. Он значительно меняется в зависимости от времени года. Например, на Енисее сток воды в мае – июле в 10,5 раз больше стока в феврале – апреле.
Гидроэлектростанции не нуждаются в топливе. Стоимость электроэнергии на них меньше, чем на тепловых электростанциях.
Плотины уменьшают опасность наводнений, создают новые зоны отдыха. Вместе с тем плотины ухудшают условия обитания водных организмов. Запруженные реки в тёплое время года зацветают. Это ведёт при сезонном отмирании водорослей к уменьшению концентрации растворённого в воде кислорода и массовой гибели рыбы.
Кроме того, такие большие водохранилища влияют на местный климат. Они могут увеличивать сейсмичность региона. На равнинных реках их сооружение выводит из пользования много плодородных земель.
Сооружение плотин должно предусматривать использование воды для удовлетворения коммунальных и промышленных нужд и орошения полей.
В плотинах сооружаются сложные гидротехнические сооружения для прохода судов. На нерестовых реках обеспечиваются специальные сооружения для прохода рыб по реке.
Большая часть крупных гидроэлектростанций строится в развивающихся странах. В промышленно развитых странах все удобные для строительства места уже использованы или сохранены как заповедные зоны.
В таких государствах интерес к гидроэнергетике сосредоточен на строительстве сравнительно небольших станций и реконструкции ранее построенных.
Огромные ресурсы развития гидроэнергетики заключены в энергии приливов и отливов на побережье морей, океанов и в устьях впадающих в них рек. Колоссальные массы воды в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Непрерывность работы приливно-отливных станций обеспечивается сооружением специальных накопительных бассейнов, заполняемых во время прилива, а также закачиванием туда воды во время наибольшей мощности работы станции. Первая приливная электростанция была пущена в 1966 г. во Франции, в устье реки Рапс. Средняя высота приливов там составляет 8,4 м. Мощность станции равна 240 МВт.
Рис. 5. Гидроэлектростанция.
В нашей стране в 1968 г. заработала опытно-промышленная ГЭС в Кислой Губе на Баренцевом Море, недалеко от Мурманска. Кислая Губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Мощность ГЭС составляет 800 кВт. Но эта станция имеет большое значение для проектных работ по освоению энергии приливов в Белом, Баренцевом и Охотском морях.
Ещё больший ресурс заложен в освоении океанических течений. Разработан проект первой в мире подобной ГЭС во Флоридском проливе (США), где берёт начало Гольфстрим. Для предполагаемой станции мощностью в 140 МВт спроектировано 50 тысяч турбин специальной конструкции и 3700 электрогенераторов.
Океанические ГЭС существенно безопаснее с экологической точки зрения по сравнению с любыми другими. Однако их недостатком является жёсткая привязка к месту размещения.
Геотермальная энергия.
В земной коре находится примерно 4 % всей воды планеты. Источники с температурой воды более 20 0С относятся к термальным. С древних времён они широко используются при лечении различных заболеваний и просто для отдыха. Источники, содержащие сухой пар или пар с капельками воды, могут быть использованы для работы турбин с целью получения электрической энергии.
Геотермальные электростанции работают в Италии, США, Новой Зеландии, Мексике, Японии. Поскольку топливо бесплатно, стоимость единицы энергии ниже, чем на тепловых или атомных станциях.
В России на Камчатке работают Паужетская станция (мощностью 11 МВт) и Паратунская станция.
Геотермальная энергия может быть получена за счёт тепла горных пород. Вода закачивается в эти подземные «котельные» насосами. Например, в США в штате Нью-Мексико – на глубину в 3600 м, в Японии – на глубину 1800 м.
Геотермальная энергия составляет на 2000 год всего 0,29 % от всей используемой энергии в мире. Перспективы увеличения её применения есть только в отдельных местах, так как тепловой поток из недр на единицу поверхности в 5000 раз меньше, чем идущий от Солнца.
Ветроэнергетика
Широко распространённым и неисчерпаемым источником энергии является ветер. Он представляет собой обычно горизонтальное движение воздуха относительно земли, направленное из области высокого к области низкого давления. Эта разность возникает в результате неравномерного нагрева поверхности земли солнцем из-за различной отражательной способности. Ресурс ветровой энергии в несколько раз превышает энергетические потребности человечества.
Рис. 6. Ветроэнергетическая установка.
Энергия воздушных потоков преобразуется в кинетическую энергию вращающихся турбин. Они подразделяются на турбины лопастного и карусельного типа.
Генераторы электрического тока могут вырабатывать в зависимости от их конструкции как переменный, так и постоянный ток. Наиболее экономичны ветряные станции, связанные между собой в так называемые «ветряные фермы» и поставляющие ток в общую электрическую систему. В местах, удалённых от общей сети, широкое распространение получили ветряные фермы, обслуживающие отдельные поселения.
Ветряная энергетика развивается очень быстро. В настоящее время Дания получает более 15 % необходимой ей электроэнергии от ветра. В некоторых регионах Германии она обеспечивает 75 % потребностей. В следующей таблице (табл. 1) показана мощность ветроэнергетических установок в некоторых странах в 2000 г.
Таблица 1. Мощность ветроэнергетических установок.
| Страна | Суммарная мощность ветроэнергетических установок в МВт |
| Германия | 6113 |
| США | 2554 |
| Испания | 2250 |
| Дания | 2140 |
| Индия | 1167 |
Европейская ассоциация ветроэнергетики планирует с 2010 г. освоить мощность в 60000 МВт. Всего в мире работает несколько миллионов ветряных станций. В нашей стране их количество не превышает пока 5 тысяч.
Ветроэлектростанции, равные по мощности гидроэлектростанциям, тепловым и атомным станциям, требуют значительно больших площадей для своего размещения. Они могут мешать полёту птиц, насекомых и являться источником шума.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 657; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!