Классификация альтернативных источников энергии.
Перечень вопросов для государственного экзамена по дисциплине
« Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» в категории ЗНАТЬ:
1. Определение и виды нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Понятие ресурса и запаса источника энергии.
2. Классификацию альтернативных источников энергии.
3. Физические принципы преобразования солнечной энергии в тепло.
4. Классификацию и основные элементы гелиосистем.
5. Типы солнечных коллекторов и принципы их действия.
6. Принципы аккумулирования тепла, типы аккумуляторов.
7. Физические принципы преобразования солнечной энергии в электричество.
8. Конструкции и материалы солнечных элементов.
9. Типы концентраторов и принципы работы систем слежения за Солнцем.
10. Виды и устройство солнечных электростанций.
11. Классическую теорию идеального ветряка.
12. Теорию реального ветроколеса.
13. Виды ветроэнергетических установок и принципы работы.
14. Виды, устройство и принцип работы ветроэлектростанций.
15. Виды энергетических установок, преобразующих энергию океана (использование разности температуры воды, волн, приливов, течений).
16. Методы и способы использования геотермального тепла для выработки тепловой и электрической энергии.
17. Понятие и классификацию теплонасосных установок.
18. Устройство и принцип работы теплонасосных установок.
19. Понятие и виды энергетической биомассы.
|
|
|
20. Классификацию биоэнергетических установок.
Определение и виды нетрадиционных и возобновляемых источников энергии
При существующем уровне научно-технического прогресса энергопотребление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных и возобновляемых.
Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.
Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.
|
|
|
В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН (1978 г.) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых водотоков.
Классификация НВИЭ представлена в табл. 1.1.1.
Начиная с 90-х годов по инициативе ЮНЕСКО при поддержке государств-членов ООН и заинтересованных организаций, проводятся мероприятия по продвижению идеи широкого использования возобновляемых источников.
Понятие ресурса и запаса источника энергии.
Для количественной оценки потенциала источника энергии пользуются понятиями ресурса и запаса.
Ресурсом источника энергии принято называть весь его объем, который принципиально возможно выделить и преобразовать в нужный вид энергии.
Запас источника энергии – это тот его объем, который можно выделить и преобразовать в нужный вид энергии практически. Практическое выделение и преобразование определяется экономической целесообразностью, то есть этот процесс может быть прекращен, если он станет экономически не выгодным.
|
|
|
Например, вся нефть, находящаяся в недрах Земли обладает свойствами горения и переработки в нефтепродукты (дизельное топливо и бензин). Поэтому все месторождения ископаемой нефти (разведанные и прогнозируемые) составляют ресурс земных источников этого вида энергии.
Практически же любое месторождение нефти не может быть выкачено полностью по экономическим соображениям, когда добыча становится нерентабельной, не смотря на все прилагаемые усилия по ее совершенствованию. Таким образом, каждый источник нефти обладает определенным запасом, который всегда меньше его ресурса. То же самое относится и к возобновляемым источникам энергии.
Но в любом случае запас всегда будет меньше ресурса, так как появятся более предпочтительные условия для разработки альтернативных источников энергии.
Потребление энергоресурсов имеет смысл анализировать с момента их индустриального использования. Запасы сырой нефти, залегающей в осадочных породах, оцениваются в 180 - 290 млрд. тонн
|
|
|
На рисунке 1.1 приведены статистические данные о мировой добыче и потреблении нефти с 1900 г. по 2005 г. и прогноз на будущее.
На рисунке 1.2 приведены статистические данные о добыче и потреблении нефти (включая и экспорт) в России и прогноз на 2010 год.
Потенциальные возможности нетрадиционных и возобновляемых источников энергии составляют, млрд. т.у.т в год:
- энергии Солнца – 2300;
- энергии ветра – 26,7;
- энергии биомассы – 10;
- тепла Земли – 40000;
- энергии малых рек – 360;
- энергии морей и океанов – 30;
- энергии вторичных низкопотенциальных источников тепла – 530.
Разведанные запасы местных месторождений угля, нефти и газа в России составляют 8,7 млрд. т.у.т., торфа – 10 млрд. т.у.т.
По имеющимся оценкам, технический потенциал ВИЭ в России составляет порядка 4,6 млрд. т у.т. в год, что превышает современный уровень энергопотребления России, составляющий около 1,2 млрд. т.у.т. в год. Экономический потенциал НВИЭ определен в 270 млн. т у.т. в год, что составляет около 25% от годового внутрироссийского потребления. В настоящее время экономический потенциал ВИЭ существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и удешевлением оборудования возобновляемой энергетики за прошедшие годы.
Доля возобновляемой энергетики в производстве электроэнергии составила в 2002 г. около 0,5% от общего производства или 4,2 млрд. кВт·ч, а объем замещения органического топлива – около 1% от общего потребления первичной энергии или около 10 млн. т.у.т. в год.
До недавнего времени, а именно до 1986 года, наиболее персп ективным топливом считалось ядерное. По разным оценкам его запасов (хотя и не возобновляемых) хватило бы на многие сотни лет, а с изысканием возможностей использования в атомных электростанциях (АЭС) изотопа 238U, на несколько тысячелетий. В настоящее время ядерным топливом атомных электростанций является обогащенный природный уран и искусственно получаемый плутоний.
Мировые запасы гидроэнергии, то есть, та ее часть, использование которой оправдано экономически, составляют 10 млрд. тонн условного топлива в год, что примерно равно всему мировому энергопотреблению в настоящее время. Запасы гидроэнергии в России составляют около 1 млрд. тонн условного топлива, то есть, около 10% мировых запасов.
Наиболее мощным источником возобновляемой энергии является Солнце. Мало того, все остальные источники эн ергии (традиционные и нетрадиционные) обязаны своим существованием Солнцу. Полная мощность солнечного излучения составляет 4·10 26 Вт. На верхней границе атмосферы плотность солнечного излучения составляет около 1,4 кВт/м2. Зная радиус Земли (6370 км) и площадь поперечного сечения (127,6 ·106 км2), можно подсчитать, что вся поверхность атмосферы за год получает около 1,6·1018 Вт.час. солнечной энергии.
Солнечная энергия, в зависимости от сезона года может использоваться на всей территории Земного шара. Однако существую климатические зоны с большим годовым количеством солнечных часов, на территории которых применение солнечной энергии наиболее эффективно. В России к таким климатическим зонам относятся территория Северного Кавказа и Дальнего Востока.
Для оценки потенциальных возможностей ветра обычно используется удельная мощность, развиваемая воздушным потоком с поперечным сечением 1 м2. Эта мощность пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Так как скорость ветра различна по высоте, то различна и его мощность на разных высотах. Суммарная кинетическая энергия ветра на высоте до 100 м, где плотность воздуха можно считать постоянной, оценивается в 1,5·1021 Дж или 4·1015 кВт.час., что составляет примерно 1 % от энергии солнечного излучения.
Биотопливо хоть и относится к возобновляемым видам энергии, но требует определенного времени на возобновление. В этом смысле оно качественно не отличается от ископаемого топлива, но скорость его возобновления гораздо выше. Например, что бы восполнить запасы нефти, потребляемые сейчас человечеством в течение года, необходимо миллион лет. Запасы же потребленного за год биотоплива (при его искусственном выращивании)
возобновляются не более чем за год. Таким образом, имеется возможность всегда восполнить потребленные запасы биотоплива, и поэтому его считают возобновляемым источником энергии. Отметим, что биотопливо хоть и возобновляемо, но не неисчерпаемо, и при интенсивном его потреблении воспроизводство биомассы может не восполнять расхода. Следовательно, потенциально можно потреблять только такое количество биотоплива, при котором расход биомассы будет не больше естественного ее воспроизводства.
Энергия приливов обусловлена изменением уровня океана в результате вращения систем Земля – Луна и Земля – Солнце. В открытом океане изменение уровня воды между полным приливом и полным отливом составляет приблизительно 1 метр. В прибрежных зонах под влиянием рельефа и очертаний береговой линии этот уровень может увеличиваться, достигая 18 – 15 м (Атлантическое побережье Канады и некоторые места Ла-Манша). Считается, что приливная электростанция может работать при изменении уровня не менее 10 м. К сожалению, таких мест на Земле не более тридцати. На территории России это побережья Охотского моря (13 м), Белого и Баренцева морей (10 м) /8, 9, 10/.
Принципиально можно использовать энергию океанских волн, причем в открытом океане, а не в полосе прибоя, как считалось ранее.
Средняя мощность океанских волн достигает десятков кВт на 1 метр фронта волны. Однако электрост анции, использующие энергию волны, не имеют практического применения, и вряд ли будут иметь широкое применение в обозримом будущем, так как трудности транспортировки электроэнергии делают ее наименее выгодной даже по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии.
Геотермальная энергия представляет собой тепловую энергию ядра Земли, нагретого до температур (гипотеза) порядка 2500 - 3000°С. Это тепло под действием градиента температур поступает на поверхность Земли и участвует вместе с теплоотдачей в тепловом балансе земного климата. Геотермальная энергия, поступающая на поверхность земли очень рассеяна и имеет плотность порядка 0,05 Вт/м 2. Очевидно, что изза низкой плотности использовать геотермальную энергию повсеместно весьма проблематично. Однако на Земле имеются места с повышенной плотностью геотермальной энергии, точнее, ее разновидностей, гидро-и-паротермальной энергии. Это энергия горячих источников воды и пара, относительно близко расположенных к поверхности Земли (до 10 км). Особенно эффективны в этом плане гейзеры, то есть, источники, периодические выбрасывающие над поверхностью фонтаны горячей воды
(температура 60 - 70°С) или пара (температура более 100°С) высотой 20– 40 метров.
Тепло таких источников используется, в основном, для горя чего водоснабжения и отопления. Такие источники известны на Камчатке, в Японии, в Новой Зеландии, в Исландии и в других странах. Мощность мировых запасов геотермальной энергии оцениваются в размере порядка 30 ГВт. Эти запасы составляют только незначительную часть соответствующих ресурсов (менее 0,1%), что объясняется практической недоступностью геотермальной энергии, заключенной в ядре Земли.
Классификация альтернативных источников энергии.
Альтернативные источники энергии — это способы, устройства или сооружения, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле. Цель поиска альтернативных источников энергии — потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.
Также их еще называют возобновляемыми источниками энергии в связи с некоторыми особенностями этого вида энергии — возможностью неограниченно восполняться, в отличие от газа, угля, торфа и нефти, которые являются исчерпаемыми источниками энергии.
Классификация альтернативных источников энергии:
ветряные — преобразуют в энергию движение воздушных масс;
геотермальные — преобразуют в энергию тепло планеты;
солнечные — электромагнитное излучение солнца;
гидроэнергетические — движение воды в реках или морях;
биотопливные — теплоту сгорания возобновляемого топлива (например, спирта).
Энергия электромагнитного солнечного излученияможет использоваться для выработки как электроэнергии, как и тепловой энергии. Прямое преобразование солнечной радиации в электроэнергию производится как путем прямого преобразования за счет явления внутреннего фотоэффекта на фотоэлектрических панелях, так и косвенно с использованием термодинамических методов (получение пара с высоким давлением).
Получение тепловой энергии из солнечной производится за счет поглощения данной энергии и дальнейшего нагрева поверхности и теплоносителя, как специальными коллекторами, так и при помощи использования приемов «солнечной архитектуры».
Совокупность установок для преобразования энергии Солнца составляет солнечную электростанцию.
Кинетическая энергия ветра
Она служит для преобразования в механическую, тепловую, а также, чаще всего, в электроэнергию. Чтобы получить механическую энергию из кинетической энергии воздушных масс применяют элементарные ветряные мельницы. Однако, для дальнейшего преобразования полученной механической энергии необходимо использование ветрогенератора.
Ветрогенератор позволяет преобразовать механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию. Существует возможность накопления полученной электроэнергии при помощи аккумуляторных батарей и использования только при необходимости. Такая установка будет называться ветроэнергетической, или ветроустановкой. Совокупность нескольких ветроустановок будет называться ветряной электростанцией.
Гидроэнергия представляет собой солнечную энергию, преобразованную в потенциальную энергию, накопленную в плотине или водохранилище естественных и искусственных водоемов. Гидроэнергию можно преобразовывать в механическую либо электроэнергию с помощью гидротурбин. Данные установки называют гидроэлектростанциями (ГЭС).
Энергия приливов и отливов
Преобразование энергии приливов и отливов в электроэнергию производится на приливных электрических станциях двумя способами:
Первый способ по принципу преобразования энергии аналогичен преобразованию энергии на гидроэлектростанции путем вращения турбины, связанной с электрогенератором;
При втором способе используется энергия движения воды; данный способ основан на перепаде уровня воды при приливах и отливах.
Энергия волн используется для получения механической и электрической энергии. Преобразование происходит на специальных волновых электростанциях, принцип работы которых основан на оказании воздействия волн на следующие применяемые устройства: поплавки, маятники, лопасти. Перемещение данных устройств образует механическую энергию, которая далее при помощи электрогенератора преобразуется в электроэнергию.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 2552; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!