Лекция 2 Использование ископаемых и ядерных топлив 1

Лекция 2. Использование ископаемых и ядерных топлив. 1

Производство тепловой и электрической энергии Основные источники 1. Тепловая электростанция (эл. энергия). 2. Тепловая электроцентраль (эл. энергия + тепловая энергия). 3. Атомная электростанция (эл. энергия). 4. Атомная теплоэлектроцентраль (эл. энергия + тепловая энергия). Дополнительные источники (мини. ТЭЦ) 1. Газотурбинная установка ГТУ) 2. Парогазовая установка (ПГУ). 3. Дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС). 2

Предприятия для переработки органического топлива Котельные – вырабатывают тепло за счет нагрева теплоносителя в котле. Тепловые (конденсационные) электростанции (ТЭС, КЭС) – вырабатывают электроэнергию при помощи котельной установки, паровой турбины, и электрогенератора. Тепловые электроцентрали (ТЭЦ) – вырабатывают электроэнергию аналогично КЭС (ТЭС) и тепло. 3

Выработка тепла и электроэнергии в котельной и ТЭС (КЭС) 1 - паровой котел; 2 -паровая турбина; 3 -конденсатор; 4 -питательный насос; 5 -водогрейный котел; 6 -потребитель тепла; 7 -сетевой насос; 4

Максимальный КПД ТЭС 5

Атомная энергетика Первая в мире промышленная атомная электростанция мощностью 5 МВт была запущена 27 июня 1954 года в СССР, в городе Обнинск. Мировыми лидерами в производстве ядерной электроэнергии являются: США (836, 63 млрд к. Вт∙ч/год), работает 104 атомных реактора (22 % от вырабатываемой электроэнергии) Франция (439, 73 млрд к. Вт∙ч/год), Япония (263, 83 млрд к. Вт∙ч/год), Россия (177, 39 млрд к. Вт∙ч/год), Корея (142, 94 млрд к. Вт∙ч/год) Германия (140, 53 млрд к. Вт∙ч/год). 6

Ядерный реактор АЭС — это аналог парового котла в ТЭС. АЭС принципиально не отличается от ТЭС: она также содержит паровую турбину, конденсатор, систему регенерации, питательный насос, конденсатоочистку. Так же, как и ТЭС, АЭС потребляет громадное количество воды для охлаждения конденсаторов. 7

Ядерный реактор ВВЭР – 1000 во время заводской сборки 8

Ядерная реакция деления U 235 При бомбардировке U 235 тепловыми нейтронами ядро атома захватывает и поглощает нейтроны, а затем распадается на два осколка. При каждом акте деления в среднем выделяются два-три быстрых нейтрона и энергия 200 Мэ. В в виде теплоты. В типичной химической реакции ее выделяется менее 10 э. В на атом (1 э. В 1, 6 10 -19 Дж). Тепло передается теплоносителю в зависимости от конструкции ядерного реактора: воде, водяному пару, газу или жидкому металлу. 9

Тепловыделяющая сборка Яд. реактор РБМК-100 10

ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 11

Использование электрической энергии Электричество применяется: • Для электроприводов машин и механизмов (компрессоров, насосов, станков и др. ) в технологических процессах различных производств, • Для освещения, • В электротермических установках, • В электронных приборах, • Для питания бытовых электроприборов. 12

Электропривод – это электромеханическая система для приведения в движение исполнительных механизмов рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса. Электропривод служит для преобразования электрической энергии в механическую. Он является основным потребителем электрической энергии (до 60 %) в промышленности. 13

Основные подходы для повышения эффективности электроприводов: 1. Мощность двигателя должна соответствовать нагрузке: если двигатель перегружен, он быстро выходит из строя, если двигатель недогружен, снижаются его КПД и коэффициент мощности 14

Основные подходы для повышения эффективности электроприводов: 2. В случае переменной нагрузки или частых простоев электродвигателей следует применять системы управления. 15

Экономия электроэнергии при пуске и остановке электродвигателей Управление может осуществляться: • дросселированием, • отключением-включением, • пуско-регулирующими устройствами. Дросселирование - ограничение пусковых и тормозных токов в электроприводах путем включения в роторную цепь электродвигателя активно-индуктивного сопротивления 16

Регулирование частоты электродвигателей Для регулирования в настоящее время используются электронные преобразователи частоты с системой микропроцессорного управления. Эти системы вытесняют ранее применявшийся регулируемый электропривод постоянного тока. 17

Эффективность способов регулирования 18

Экономия электроэнергии при электронном регулировании частоты электродвигателей При внедрении регулируемого электропривода достигается экономия энергии: 1) 50% для вентиляционных систем, 2) 25% для насосов, 3) 40 -50% для компрессоров. 19

Освещение В промышленности на освещение в среднем расходуется до 10% потребляемой электроэнергии. В сфере услуг и развлечений этот показатель может достигать 25%. 20

Свет – излучение, непосредственно воспринимаемое зрением (видимое излучение). Видимое излучение – электромагнитное излучение с длиной волны от 380 до 780 нм. Освещение – применение света в конкретной обстановке, рядом с объектами или в их окружении, с целью сделать их видимыми. 21

Электрическое освещение подразделяется на: общее (равномерное освещение всего помещения), местное (освещение рабочих мест), комбинированное. 22

Методы регулирования освещения При отсутствии необходимости в освещении его следует отключать, что уменьшает затраты электроэнергии. Для этих целей применяются: 1) Автоматизированные системы управления освещением на основе программного управления или уровня освещенности (светофоры, уличные фонари); 2) Включение освещения от датчика движения (освещение лестниц, коридоров, подъездов) ; 3) Автоматическое дистанционное включение/отключение освещения (с пульта, брелка, и др. ) ; 4) Регулирование освещенности при помощи реостатов. 23

Основные световые характеристики Световой поток, Ф - это полное количество света, излучаемого данным источником. Единица: люмен (лм). Освещенность (плотность светового потока), E – отношение падающего светового потока к площади освещаемой поверхности. Единица измерения: люкс (лк). Приборы, предназначенные для измерения освещенности, называются люксметрами Общепринятые показатели освещенности: Лето, день под безоблачным небом - 100 000 люкс Освещение для чтения – 300 -500 люкс Уличное освещение - 5 -30 люкс Полная луна в ясную ночь - 0, 25 люкс 24

Световая отдача Н, лм/Вт это отношение светового потока источника света к потребляемой мощности. Световая отдача показывает, с какой экономичностью потребляемая электрическая мощность преобразуется в свет. 25

Виды источников света: • лампы накаливания • галогенные лампы накаливания • газоразрядные лампы низкого давления (люминесцентные лампы) • газоразрядные лампы высокого давления • светодиоды 26

Лампа накаливания —искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока Недостаток - малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. 27

Существенные характеристики лампы накаливания - световая отдача и срок службы - в основном определяются температурой спирали: чем выше температура спирали, тем выше световая отдача, но тем короче срок службы. Световая отдача ламп накаливания в диапазоне от 25 до 1000 Вт составляет примерно от 9 до 19 лм/Вт для ламп со средним сроком службы 1000 ч. 28

Галогенные лампы накаливания Содержат в газе-наполнителе незначительные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединения, которые в процессе вольфрамо-галогенного цикла не дают уже испаренному вольфраму осесть на стенках колбы. 29

Газоразрядные лампы низкого давления Люминесцентные лампы (или лампы дневного света) представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, которые, в свою очередь, заставляют нанесенный на стенки трубки люминофор излучать видимый свет. 30

Газоразрядные лампы низкого давления Главными достоинствами люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания являются высокая светоотдача - 75 лм/Вт (люминесцентная лампа 23 Вт даёт освещенность как 100 Вт лампа накаливания) и более длительный срок службы (10000 часов против 1000 часов) – энергосберегающие лампы 31

Газоразрядные лампы низкого давления Недостатки люминесцентных ламп Относительная сложность включения. Невозможность питания ламп постоянным током. Зависимость характеристик от температуры окружающей среды. Периодические пульсации их светового потока с частотой, равной удвоенной частоте электрического тока. 32

Светодиодные лампы Светодиод- полупроводниковый прибор с электроннодырочным переходом (p-n переходом), создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. 33

Светодиодные лампы Светодиодная лампа является одним из самых экологически чистых источников света. Достоинства: 1. Высокая экономичность (лампы со светодиодами потребляют примерно в 20 раз меньше электроэнергии, по сравнению с лампами накаливания, при этом они дают точно такую же яркость освещения. ) 2. Длительность работы. светодиодные лампы сделаны на основе кристалла, поэтому в устройстве просто нечему перегорать и оно не может разбиться. Это продлевает срок службы светильника до 100000 часов. 3. Устойчивость к воздействию низких температур. 4. Отсутствие токсичных составляющих. 34

Светодиодные лампы Недостатки: 1. Высокая стоимость 2. Непереносимость слишком высокой температуры воздуха. 3. Направленность освещения. 35

Светодиодные лампы. Основное освещение 1. 2. 3. 4. Применение Светофоры, дорожные знаки, информационных табло, указатели, бегущие строки, гибкие ПВХ световые шнуры Дюралайт и др. Освещение улиц, дорог и больших территорий. Архитектурное освещение. Освещение помещений (местное). 36

Светодиоды. Дополнительное освещение Применение 1. Автомобильные фары и фонари 2. Индикаторы приборов в виде одиночных светодиодов. 3. Подсветка ЖК экранов (мобильных телефонов, мониторов, телевизоров и т. д. ). 4. Игры, игрушки, значки, USB-устройства и другие гаджеты. 37

Светодиодная подсветка 38

Потребление энергии за счет освещения Экономия энергии на освещение при замене существующих источников света с суммарным годовым потреблением электроэнергии Wr (к. Вт∙ч/год) более эффективными источниками: 39

Потребление энергии за счет освещения где - коэффициент эффективности замены источника, Hнов. – светоотдача предлагаемого для установки источника света, Hстар. - светоотдача существующего источника света, kэл. - коэффициент запаса, учитывающий снижение светового потока лампы. 40

Нетрадиционные источники энергии и вторичные энергоресурсы 41

Нетрадиционные источники энергии Возобновляемые энергетические ресурсы – постоянно действующие или периодически возникающие потоки энергии в результате естественных природных процессов. 1. Солнечная энергия 2. Ветроэнергетика 3. Гидроэнергетика 4. Биотопливо 5. Геотермальная энергия 42

Солнечная энергия За один год Солнце посылает на нашу планету энергию, эквивалентную почти 100 триллионам тонн условного топлива. 1. Выработка и аккумулирование электрической энергии 2. Выработка и аккумулирование тепла 43

Солнечная батарея Схема солнечного элемента с p-n переходом: 1 – противоотражательное покрытие лицевого контакта; 2 – металлический контакт с тыльной стороны 44

Использование солнечных батарей 45

Гелиоводонагреватель Аккумуляторный бак Попадающее на коллектор излучение солнца преобразуется в энергию тепла, которое передается циркулирующему с помощью насоса теплоносителю (пропиленгликоль, вода). Работа всей системы регулируется автоматикой. 46

Ветроэнергетика S –площадь, ометаемая ветроколесом, м 2; ρ и w – плотность и скорость набегающего воздуха, кг/м 3 и м/с, СN – коэффициент мощности (~40%). 47

Ветроэнергетика В настоящий момент на территории РБ действует 23 ветроустановки. Самая мощная ветроустанвка мощностью 1, 5 МВт действует в Новогрудке. 48

Гидроэнергетика Потенциал гидроресурсов определяется объемным расходом потока Q (м 3/с) и высотой падения потока или напором Н (м). Максимальная мощность (Вт), развиваемая потоком без учета потерь напора, равна Ранее в Беларуси действовало 170 ГЭС. После завершения электрофикации всех регионов за счет централизованного электроснабжения они были законсервированы. 49

Гродненская ГЭС В настоящее время установленная мощность 30 действующих ГЭС составляет около 13 МВт Потенциальная мощность всех водотоков Беларуси составляет 850 МВт Технически доступная – 520 МВт Экономически целесообразная – 250 МВт 50

Биотопливо — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов. Основа биотоплива – биомасса. Виды биотоплива: • Твердое (дрова, брикеты, топливные • гранулы, щепа, солома, лузга) • Жидкое (этанол, метанол, биодизель) • Газообразное (биогаз, метан, водород) Происхождение биотоплива: отходы основного производства в лесной и деревообрабатывающей промышленности, агропромышленного комплекса, городском хозяйства. 51

Геотермальная энергия Выход тепла на поверхность Земли осуществляется в результате вулканических процессов или в виде горячей воды. Температура термальных вод в Беларуси достигает приблизительно 500 С. Они используются для горячего водоснабжения 52

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) – энергия, получаемая в ходе любого технологического процесса в результате недоиспользования первичной энергии или в виде побочного продукта основного производства и не применяемая в этом технологическом процессе. 53

Классификация ВЭР • Горючие ВЭР – отходы, обладающие химической энергией и могут быть использованы в качестве топлива. • Тепловые ВЭР – отходы, обладающие физической теплотой. • ВЭР избыточного давления – отходы, обладающие потенциальной энергией. 54

К горючим ВЭР относятся: • отходы технологических процессов химической и термохимической переработки сырья (горючие газы технологических печей, горючие газы при получении исходного сырья для пластмасс и т. д. ) • отходы деревообрабатывающей промышленности • отходы сельского и коммунального хозяйства (солома, ботва растений, городской мусор и др. ) • твёрдые и жидкие топливные материалы промышленных предприятий Применение: • Применяются непосредственно в виде топлива в других производствах 55

Утилизация ТБО Мусоросжигательный завод и электростанция архитектора Эрика вана Эгераата в датском городе Роскилле 56

К тепловым ВЭР относятся: • продукты сгорания (газы и шлаки) котельных установок и промышленных печей, отработанный пар (высокопотенциальные более 500 С); • теплота рабочих тел, теплоносителей систем охлаждения (среднепотенциальные от 100 до 500 С); • теплота вентиляционного воздуха, сточных вод (низкопотенциальные менее 100 С). 57

К ВЭР избыточного давления относятся: • газы, жидкости и сыпучие тела, покидающие технологические агрегаты с избыточным давлением, которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих материалов или при выбросе их в атмосферу, водоёмы и другие приёмники. • тела с избыточной кинетической энергией. Применение: • Получение электрической или механической энергии 58

Аккумуляторы энергии Аккумулирование механической энергии: 1) Гидроаккумуляторы, 2) Маховики (потеря энергии маховиком может быть менее 20% в год) Аккумулирование электрической энергии: 1) Электрохимический аккумулятор, 2) Конденсатор Аккумулирование тепловой энергии: 1) запасающие тепло путем нагревания рабочего тела аккумулятора 2) накапливающие тепло в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое, чаще всего из твердого в жидкое 59

Аккумуляторы энергии Аккумулирование энергии позволяет обеспечить : • бесперебойное энергоснабжение потребителей за счет накопления избыточной энергии и последующего ее использования в периоды отсутствия или недостатка энергоснабжения; • оптимальные режимы работы источников энергии и потребителей за счет сглаживания колебаний в электросети; • повышение потенциала энергии до необходимого качества при накоплении низкопотенциальной энергии; • превращение энергии одного вида в другой, в зависимости от нужд потребителей. 60

Спасибо за внимание 61