Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
Учреждение образования «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» НЕТРАДИЦИОННЫЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 УДК620.9(042.4) ББК 31.15я73 Н 57 Рецензенты: зав. лабораторией дисперсных систем ИТМО им. А.В. Лыкова, чл. – корр. НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор А.Г. Бородуля доцент кафедры ЮНЕСКО «Энергосбережение и возобновляемые источники энергии» БНТУ, кандидат физико-математических наук Ю.К. Кривошеев Сухоцкий А.Б. Н 57 Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент / А. Б. Сухоцкий, В. Н. Фарафонтов. – Мн.: БГТУ, 2009. – 287 с. ISBN 985-434- Курс лекций содержат теоретические сведения, основные понятия и определения, рисунки и схемы, необходимые студентам, чтобы обеспечить понимание и усвоение основных принципов использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии; ознакомление с основными схемами переработки и утилизации энергии, конструкциями наиболее распространенных типов устройств и машин, используемых в области нетрадиционное энергетики. УДК 620.9(042.4) ББК 31.15я7
ВВЕДЕНИЕ Озабоченность проблемами энергетики будущего вполне естественна, поскольку энергия является основой для жизнедеятельности человечества. Энергия обеспечивает тепло для обогрева, производство и приготовление пищи, создание товаров. Поскольку человечество развивается, растет спрос людей на услуги, то, следовательно, будет продолжаться рост потребности в энергии. Популярные в 20 веке источники энергии (нефть, газ, уголь) и являются промежуточными на данном этапе развития человечества. Эти источники накопили в себе энергию в течение длительного промежутка времени (несколько миллионов лет) задолго до появления человечества. Расходование за последние 60 лет значительного количества органического топлива привело к резкому выбросу в окружающую среду избыточной тепловой энергии и углекислого газа, что привело к изменению экологии земли (опустынивание, эрозия почв, уничтожение некоторых видов растений и животных, «озоновые дыры», парниковый эффект, отравление рек, водных бассейнов). Кроме того, эти органические ресурсы возобновляются очень медленно и, следовательно, закончатся в обозримом будущем. В последние десятилетия исследования атмосферы ясно показывают, что количество диоксида углерода (СО2) в ней значительно возросло. И этот процесс ускоряется. Вследствие изменения состава атмосферы постепенно температура земли повышается. Поскольку обычная температура планеты растет только на несколько десятых градуса ежегодно, обыкновенные люди не могут "чувствовать" повышение температуры. Однако это изменение температуры активно влияет на климат Земли. Существует конкурирующая теория, которая объясняет, почему идет процесс глобального потепления. Некоторые ученые считают, что глобальное потепление вызвано активностью солнца. Эта теория, однако, не может дать объяснения долгосрочному процессу глобального потепления. Сегодня подавляющее большинство ученых согласно, что потепление Земли обусловлено деятельностью людей, а именно потреблением угля, нефти, бензина, газа (ископаемых видов топлива) в любых формах. Две конкурирующие теории являются важной основой для политических противоречий. Те, кто заинтересованы в использовании ископаемых видов топлива (угля, нефти и природного газа) предпочитают "объяснение активности солнца", поскольку это не приведет к негативным последствиям для их деловой деятельности. К еще одной важной группе людей, которая поддерживает "солнечную теорию", относятся политические круги, поскольку высокое потребление ископаемых видов топлива ведет к значительным доходам. Существует фундаментальная разница между углеродом в биомассе и углеродом в ископаемых топливах. Углерод в ископаемых видах топлива собирается из подземельных слоев, и сожженный в котле выбрасывается в виде углекислого газа в атмосферу. Это означает, что ископаемое топливо накопленное в течение нескольки миллионов лет перемещается из под земли и преобразуется в СО2 (и большое количество других субстанций). Путь углерода, сжигаемого в биомассе, выглядит иначе. Когда дерево растет, оно поглощает СО2 из атмосферы для того, чтобы создать свою древесную субстанцию. Когда дерево сжигается (или же если дерево остается гнить в лесу), углерод уходит обратно в атмосферу. Дерево, поэтому, поглощает СО2 когда растет и отдает обратно такое же количество атмосфере, когда оно сгнивает или сжигается. Таким образом, СО2 в биомассе нейтрален и не влияет на климат Земли. Однако изменение энергетической системы в тех странах, которые не имеют лесной промышленности, будет сложным, так как достаточного объема опилок для покрытия спроса в Европе не производиться. Практически неисчерпаемым источником энергии является ядерная энергия. Эти источники, скорее всего, будут, преобладающими в конце этого столетия, но не единственными. На первый взгляд ядерное топливо – это очень привлекательный источник энергии, поскольку расщепляющихся (радиоактивных) веществ находится в очень большом количестве в недрах нашей планеты, и в идеале атомная электростанция – экологически чистый источник энергии. Практически оказалось, что экологическая безопасность АЭС относительна, зависит не только от безукоснительного соблюдения технологических режимов, но и надежности элементов оборудования. Срок службы оборудования АЭС оказался по этой причине в 2–3 раза меньше расчетного; демонтаж, замена элементов этого оборудования более дорогими, чем сооружение новых станций. Практически не решена проблема захоронения радиоактивных отходов и изношенного оборудования радиоактивной зоны. Кроме того, активное использование ядерной энергии приведет к аналогичному, что происходит в последнее время выбросу в окружающую среду избыточной тепловой энергии. Логичнее человечеству было бы использовать энергию, участвующую в земных процессах (например, гидроэнегию). Гидроэнергетика это дешевый, удобный, самый экологически безопасный источник потребности человечества. Аналогичные по происхождению, намного более потенциальными, но более сложными в утилизациями являются ветроэнергетика и солнечная энергетика. Переход к крупномасштабному использованию возобновляемых источников энергии произойдет в 21 веке. Это связано и с возрастающей потребностью развивающихся стран в энергии (нехватка энергии уже сейчас существует в ряде стран, включая Китай и Индию, а рост населения усугубляет эту проблему). Через 30–40 лет дополнительно потребуется 5000 ГВт установленной мощности, что примерно в 2 раза больше современного уровня. В данном курсе лекций дается представление обо всем спектре возобновляемых источников энергии, которые можно использовать в современном народном хозяйстве. Многие технологии и устройства утилизации этих источников, изложенных в курсе лекций, находится в начальной стадии разработок и, возможно, не будут промышленно применяться в этом столетии. Но представленный материал позволит создать общую картину развития энергетики в будущем. 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 1.1. Энергия, ее источники и классификация Энергия является мерой способности объекта совершить работу. Известно много видов энергии. Например, тепловая, механическая, электрическая, упругая, излучения, химическая, ядерная, массы. Существует пять основных источников энергии в пределах планеты Земля: солнечное излучение, гравитационные взаимодействия (энергия притяжения Луны), геотермальные процессы (тепловая энергия ядра Земли), ядерные реакции, химические реакции. Возникновение, существование и развитие различных форм жизни на Земле обусловлено наличием солнечного излучения. Вклад Солнца в энергетический баланс Земли в 5 тыс. раз превышает вклад остальных вместе взятых источников энергии. Энергия солнечного излучения на земле в результате естественных процессов преобразуется в различные виды энергоресурсов: продукты фотосинтеза и термической переработки (биомасса, торф, бурый уголь, сланцы, антрацит, нефть, природный газ), движение воздушных масс (ветер), движение воды (реки, океанические течения), электростатическое поле Земли (молнии и другие электростатические разряды атмосферы). Гравитационные взаимодействия на Земле проявляется в виде перемещения значительных масс воды, которые приводят к океаническим и морским приливам и отливам. Геотермальные процессы обусловлены наличием происходящих с выделением тепла в ядре Земли химических и ядерных реакций. Они проявляются в виде нагретого земляного пласта, температура которого увеличивается при приближении к ядру Земли, а также в виде нагрева подземных вод (например, гейзеры). Особыми видами энергетических ресурсов является расщепляющиеся с выделение энергии вещества (радиоактивные и химические), находящиеся в недрах нашей планеты. Эти вещества образовались на Земле с появлением планеты и, при их использовании, в дальнейшем самопроизвольно не восстановится. Наибольшей энергоемкостью обладает ядерное топливо. При этом запасы его на Земле настолько велики, что их хватит человечеству минимум на несколько веков. Источники энергии подразделяются на возобновляемые и невозобновляемые (истощаемые). Возобновляемые источники энергии это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих (период возникновения менее 100 лет) в окружающей среде потоков энергии (биотопливо, энергия ветра, гидроэнергия, геотермальная и гравитационная энергия). Невозобновляемые источники энергии это естественно образовавшиеся и накопившиеся в недрах планеты запасы веществ, способные при определенных условиях высвобождать заключенную в них энергию. Это все виды ископаемого топлива (торф, сланцы, уголь, нефть, газ), а также ядерная и химическая энергия. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе связанном состоянии и освобождается в результате целенаправленных действий человека. Источники энергии также делят на традиционные и нетрадиционные. Традиционные источники энергии это источники по технологиям переработки, которых накоплен богатый опыт и имеются специалисты (в настоящее время это газ, нефть, уголь, гидроэнергетика, ядерная энергетика). 1.2. Современное состояние топливно-энергетического комплекса РБ Топливно-энергетический комплекс это отрасль народного хозяйства, которая включает системы добычи, транспортировки, хранения, производства и распределения всех видов энергоносителей. От уровня развития и эффективности функционирования топливно-энергетического комплекса в значительной мере зависит благополучие страны. В народном хозяйстве Республики Беларусь используются различные виды топлив (табл. 1.1), однако основными являются природный газ и продукты нефтепереработки. Таблица 1.1 Потребление РБ энергетических ресурсов (млн. т.у т.) в 2005 году
|