Разделы презентаций
- Разное
- Английский язык
- Астрономия
- Алгебра
- Биология
- География
- Геометрия
- Детские презентации
- Информатика
- История
- Литература
- Математика
- Медицина
- Менеджмент
- Музыка
- МХК
- Немецкий язык
- ОБЖ
- Обществознание
- Окружающий мир
- Педагогика
- Русский язык
- Технология
- Физика
- Философия
- Химия
- Шаблоны, картинки для презентаций
- Экология
- Экономика
- Юриспруденция
ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА Кафедра Электроэнергетические системы Факультет Энергетики и
Содержание
- 1. ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА Кафедра Электроэнергетические системы Факультет Энергетики и
- 2. АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКАСолнечные электростанции, Ветровые электростанции, Геотермальные электростанции, Топливные элементы, Биоэнергетика
- 3. С начала 90-х годов прошлого столетия вопросы
- 4. В 1997 году страны — участницы Рамочной
- 5. Солнечные электростанции (СЭС) Солнечная энергетика - отрасль
- 6. Солнечные электростанции (СЭС) Процесс переноса энергии Солнца
- 7. Солнечные электростанции (СЭС) Земля находится от Солнца
- 8. Солнечное излучение на поверхности Земли зависит от
- 9. Солнечные электростанции (СЭС) Суммарное СИ, достигающее поверхности
- 10. Солнечные электростанции (СЭС) При этом в течение
- 11. Солнечные электростанции (СЭС) Измерение составляющих СИ на
- 12. Солнечные электростанции (СЭС) Поток СИ на Земле
- 13. Энергоресурсы солнечной энергетики России
- 14. Преобразование солнечной энергии в другие виды удобные
- 15. В настоящее время в мире и России
- 16. СТС делятся на две группы: установки работающие по разомкнутой или прямоточной схеме установки работающие по замкнутой схеме
- 17. В ряде стран СК СТС стали привычным
- 18. В последнее десятилетие значительно повышен КПД СФЭУ
- 19. В настоящее время СФЭУ с успехом используются
- 20. Современная СЭС
- 21. Современная СЭС
- 22. Мобильный энергокомплекс “Ветер + Солнце” 700 Вт
- 23. Ветроэлектростанции (ВЭС) Энергию ветра человечество использует очень
- 24. Кинетическая энергия W кин (Дж) воздушного потока
- 25. Ветроэлектростанции (ВЭС) В ветроэнергетике обычно используется рабочий
- 26. Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую производится
- 27. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) С горизонтальной осью вращения
- 28. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) Уровень шума крупных ВЭУ
- 29. Ветроэнергетические установки (ВЭУ) Чем выше расчётная скорость
- 30. Ветроэнергетические установкиПроцесс изменения скорости ветра в течение
- 31. Ветроэнергетические установкиОбычно они представляют собой зависимость частоты
- 32. Ветроэнергетические установкиВ ветроэнергетических расчётах учитывается также и
- 33. Энергоресурсы ветроэнергетики России
- 34. Использование энергии ветра в России весьма незначительно,
- 35. Современная ВЭС
- 36. Современная ВЭС
- 37. Современная ВЭС
- 38. Геотермальные электростанции (ГеоЭС) Геотермальные электростанции (ГеоЭС) используют
- 39. На большой территории России имеются запасы тепла
- 40. На территории России разведано около 50 геотермальных
- 41. Блочные ГеоЭС с бинарным циклом мощностью от
- 42. Геотермальные электростанцииВ настоящее время в зависимости от
- 43. Использование геотермальных ресурсов
- 44. Геотермальное теплоснабжение наиболее выгодно при прямом использовании
- 45. Россия занимает ведущее место в создании и
- 46. Топливные элементы Преобразование химической энергии топлива в
- 47. Топливные элементы Топливные элементы относятся к химическим
- 48. Топливные элементы В процессе горения (окисления) происходит
- 49. Топливные элементы Реакцию окисления топлива можно разбить
- 50. Топливные элементы В качестве окислителя в топливных
- 51. Водородно-кислородный топливный элемент
- 52. Топливные элементы Работает ТЭ следующим образом: попадающий
- 53. Топливные элементы Для создания большой мощности, топливный
- 54. Топливные элементы В топливном элементе с кислым
- 55. .Топливные элементы Этот процесс описывается следующими уравнениями:
- 56. Топливный элемент с кислым электролитом
- 57. Топливные элементы Ионы водорода диффундируют через электролит
- 58. Топливные элементы В топливных элементах со щелочным
- 59. Топливные элементы На катоде кислород вступает в
- 60. Топливные элементы Поток электронов и ионов поддерживает
- 61. Топливные элементы ТЭ находят применение в стационарной
- 62. Лабораторный метанольный топливный элемент
- 63. Топливный элемент с щелочным электролитом, установленный на космическом корабле «Space Shuttle»
- 64. Биотопливная энергетика Биотопливная энергетика основана на получении
- 65. Биотопливная энергетика Производство электроэнергии из биотоплива быстро
- 66. Биотопливная энергетика Биото́пливо — топливо из биологического сырья,
- 67. Заводы по переработке биологических отходов в биотопливо
- 68. Биотопливная энергетика В настоящее время производится жидкое
- 69. Заводы по производству жидкого биотоплива
- 70. Заводы по производству жидкого биотоплива
- 71. Биотопливная энергетика В настоящее время наиболее перспективным
- 72. Биотопливная энергетика Биогаз состоит из метана (55-85%)
- 73. Биотопливная энергетика Одной из разновидностей биогаза является
- 74. Биотопливная энергетика Мировая история насчитывает свыше двух
- 75. Биотопливная энергетика В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт
- 76. Биотопливная энергетика В зависимости от источника получения
- 77. Метантенк биогазовой установки
- 78. Биотопливная энергетика Основа любой биогазовой установки –
- 79. Биотопливная энергетика Для нормального функционирования объём газа,
- 80. Во многих странах используются малые биогазовые установки
- 81. Слайд 81
- 82. Биотопливная энергетика Производство биогаза улучшает экологию, так
- 83. Скачать презентанцию
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКАСолнечные электростанции, Ветровые электростанции, Геотермальные электростанции, Топливные элементы, Биоэнергетика
Слайды и текст этой презентации
Слайд 1ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Кафедра Электроэнергетические системы
Факультет Энергетики и систем коммуникаций
Донского государственного
технического
Слайд 2АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Солнечные электростанции, Ветровые электростанции, Геотермальные электростанции, Топливные элементы, Биоэнергетика
Слайд 3С начала 90-х годов прошлого столетия вопросы предотвращения катастрофических изменений
климата планеты занимают основное место в международном экологическом законодательстве.
В
1992 году в Рио-де-Жанейро представителями более чем 150 государств подписана Рамочная Конвенция ООН по изменению климата — документ, определивший основные направления международного сотрудничества в области изучения климата и предотвращения его катастрофических изменений.
Слайд 4В 1997 году страны — участницы Рамочной конвенции ООН подписали
в Киото Протокол по сокращению эмиссии парниковых газов, в котором
определены обязательства стран по регулированию национальных выбросов в атмосферу.В частности, по киотскому Протоколу Россия приняла на себя обязательства не превысить в 2008 — 2012 г.г. уровня выброса парниковых газов 1990 года.
Альтернативные способы получения энергии, за счёт энергии приливов, ветра, Солнца, геотермальных источников, морских волн и др. на данный момент отличаются невысоким уровнем добываемой энергии из-за её низкой концентрации.
Однако в настоящее время во многих странах большое внимание уделяется разработке проектов по использованию альтернативных источников электроэнергии.
Слайд 5Солнечные электростанции (СЭС)
Солнечная энергетика - отрасль науки и техники,
разрабатывающая теоретические основы, методы и средства использования солнечного излучения или
солнечной радиации для получения электрической, тепловой или других видов энергии и использования их в хозяйстве страны.
Слайд 6Солнечные электростанции (СЭС)
Процесс переноса энергии Солнца при распределении электромагнитных
волн в прозрачной среде называется солнечным излучением (СИ). В соответствии
с квантовой теорией электромагнитные волны это поток элементарных частиц или фотонов с нулевой массой покоя, движущихся в вакууме со скоростью света. В космосе через 1 м2 в 1 с проходит 3 · 1021 фотонов, энергия которых зависит от длины волны (мкм).
Слайд 7Солнечные электростанции (СЭС)
Земля находится от Солнца на расстоянии примерно
150 млн. км.
Площадь поверхности Земли, облучаемой Солнцем, составляет около
5*108 км2. Мощность СИ, достигающего Земли, по разным оценкам составляет (7,5 -10)*107 кВт ч/год или
(0,85-1,2)*1014 кВт, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии.
Если использовать всего лишь 0,1% всей поверхности Земли, для строительства солнечных электростанций (СЭ), то полученная мощность почти в 40 раз превышает потребляемую человечеством.
Слайд 8Солнечное излучение на поверхности Земли зависит от многих факторов:
широты и
долготы местности,
климатических и географических особенностей,
состояния атмосферы и т.п.
Поток солнечной
энергии на Земле существенно меняется; его максимальное значение составляет 2200 (кВт ч)/(м 2 год). Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в диапазоне от 800 до 1400 (кВт ч)/(м 2 год).
Продолжительность светового дня в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год (максимум светового дня на Земле более 3600 ч/год).
Тем не менее на всю территорию России за год поступает энергии больше, чем энергия от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана.
Слайд 9Солнечные электростанции (СЭС)
Суммарное СИ, достигающее поверхности Земли, RS обычно
состоит из трёх составляющих: Rпр - прямое СИ, поступающее от
Солнца на приёмную площадку в виде параллельных лучей; Rд - диффузное, или рассеянное молекулами атмосферных газов и аэрозолей СИ; Rотр - отражённая земной поверхностью доля СИ (для большей части поверхности Земли эта составляющая RS обычно незначительна и не учитывается вообще или приближённо учитывается в расчётах).
Слайд 10Солнечные электростанции (СЭС)
При этом в течение как коротких (минуты,
часы), так и длительных (сутки, недели) интервалов времени в данной
точке Земли может отсутствовать полностью или частично составляющая Rпр. Наконец, в ночные часы отсутствует и RS в целом. Это означает, что солнечная энергетическая установка (СЭУ) на Земле имеет нулевую гарантированную мощность при использовании только СИ без сочетания с другими источниками энергии. Кроме того, СИ достигает своего максимума в летний период, когда в России обычно происходит закономерное уменьшение потребления электроэнергии. Соответственно, максимум зимнего потребления энергии в стране приходится на период минимального прихода СИ.
Слайд 11Солнечные электростанции (СЭС)
Измерение составляющих СИ на Земле производится на
актинометрических станциях. Наиболее распространены измерения СИ на горизонтальную и реже
на перпендикулярную к СИ приёмную площадку. В связи с этим возникают существенные сложности при пересчёте этих данных на произвольно ориетированную приёмную площадку. Особенно это касается Rд, которое в условиях России имеет большой удельный вес в RS в течение года. К сожалению, как показывает мировой опыт, простой перенос имеющихся методов расчёта СИ в одной стране на условия другой с другими климатическими условиями даёт очень большие ошибки.
Слайд 12Солнечные электростанции (СЭС)
Поток СИ на Земле существенно меняется, достигая
максимума в 2200 (кВт · ч)/(м2 · год) для северо-запада США, запада Южной Америки, части
юга и севера Африки, Саудовской Аравии и Центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток СИ меняется в пределах от 800 до 1400 (кВт · ч)/(м2 · год). При этом продолжительность солнечного сияния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год и несколько более. Максимум указанных значений на Земле составляет более 3600 ч/год. За год на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем энергия от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана. На рисунке представлены энергоресурсы солнечной энергетики России.
Слайд 14Преобразование солнечной энергии в другие виды удобные для использования, производиться
с помощью солнечных энергетических установок СЭУ, которые делятся на два
вида.Первый базируется на системе преобразования СИ в тепло, которое далее чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся солнечные электростанции (СЭС), солнечные пруды, а также солнечные коллекторы, в которых происходит нагрев воды с помощью СИ.
Второй вид базируется на прямом преобразовании СИ в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).
Слайд 15В настоящее время в мире и России наиболее перспективными являются
два вида СЭУ:
солнечные коллекторы (СК)
СФЭУ.
СК — это устройства, предназначенные
для прямого преобразования СИ в тепловую энергию в системах теплоснабжения (СТС) для нагрева воздуха, воды или других жидкостей. Они используются для горячего водоснабжения, отопления и теплоохлаждения.а) – без аккумулятора; б) – с аккумулятором; в) – с аккумулятором и теплообменником; 1 – солнечный коллектор; 2 – аккумулятор, 3 – теплообменник; 4 - насос
Слайд 16СТС делятся на две группы:
установки работающие по разомкнутой или прямоточной
схеме
установки работающие по замкнутой схеме
Слайд 17В ряде стран СК СТС стали привычным атрибутом жизни.
Технологии
эффективного нагрева воды для бытовых целей с помощью СИ достаточно
хорошо отработаны в мире и весьма доступны на рынке.Наиболее экономически эффективные сферы применения солнечных водонагревательных хорошо освоены.
Например, в США более 60 % бассейнов, находящихся в среднем на широтах Краснодарского и Ставропольского краёв, Волгоградской и Ростовской областей обогреваются за счёт СИ.
В России область применения СК в настоящее время весьма ограничена; основное препятствие — относительно высокая стоимость.
Слайд 18В последнее десятилетие значительно повышен КПД СФЭУ — в фотоэлементах
на основе кремния он достиг: в однослойных элементах 8-16 %,
для двухслойных 30 %, для трёхслойных 35-40 %; а также снизилась стоимость их производства.В однослойных элементах на основе арсенид-галия достигнут КПД 30 %.
Мировая фотоэнергетика в настоящее время представляет собой развивающийся быстрыми темпами сектор энергетического рынка с огромными возможностями для дальнейшего роста.
Интерес к фотоэнергетике обусловлен радикальным снижением удельной стоимости 1 кВт мощности СФЭУ за последние 20 лет (в 7 раз) и постепенным приближением её к уровню экономически оправданных энергетических проектов.
Слайд 19В настоящее время СФЭУ с успехом используются во многих странах
мира, особенно в Германии, США, Японии.
В Германии и Японии этому
способствовали специальные государственные программы этого сектора современной энергетики. В была успешно реализована программа 1000 солнечных крыш, а сегодня успешно реализуется программа 100 тысяч фотоэлектрических крыш, а ведь Германия в среднем находится на широте Воронежской и Липецкой областей.
Аналогичные программы реализуются в США и Японии.
В 2000 г. в США разработан проект солнечной электростанции в Техасе размером 107*107 миль, которая может полностью обеспечить потребности страны в электроэнергии.
В России сегодня имеется хорошая научная база для развития фотоэнергетики и мощное промышленное производство.
Слайд 23Ветроэлектростанции (ВЭС)
Энергию ветра человечество использует очень давно ещё с
античных времён.
Движущейся поток ветра, обладая кинетической энергией, оказывает силовое
воздействие на подвижную часть двигателя, заставляя её вращаться и передавать полученную энергию другому устройству для совершения полезной работы (помол зерна, подъём воды, выработка электроэнергии).
Слайд 24Кинетическая энергия W кин (Дж) воздушного потока определяется по формуле
(2.1)
где
m — масса воздуха (кг), v — средняя скорость потока
(м/с).Величина m определяется по формуле
(2.2)
где ρ=1,226 кг/см 3 — плотность воздуха, S — сечение перпендикулярное v (м 2).
Если в выражении (2.1) принять массу воздуха, проходящую в 1 сек, то с учётом (2.2), получим выражение для мощности (Дж/с или Вт), развиваемой потоком воздуха
(2.3)
Для S=1м 2 из (2.3) получим выражение для вычисления удельной мощности N уд ветрового потока (Вт/м 2) для скорости ветра v
W кин =0,5mv 2,
m=ρvS,
N = 0,5 ρ v 3 S
N уд = 0,5 ρ v 3.
Слайд 25Ветроэлектростанции (ВЭС)
В ветроэнергетике обычно используется рабочий диапазон скоростей ветра
не превышающих 25 м/с.
Эта скорость соответствует 9-бальному шторму по
12-балльной шкале Бофорта. Ниже приведены значения N уд для указанного диапазона скоростей ветра
Слайд 26Преобразование кинетической энергии ветра в электрическую производится с помощью ветроэнергетических
установок (ВЭУ), которые можно классифицировать по следующим признакам:
по мощности
— малые (до 10 кВт), средние (10-100 кВт), крупные (100-1000 кВт), сверхкрупные (более 1000 кВт);по числу лопастей рабочего колеса — одно-, двух-, трёх- и многолопастные;
по отношению рабочего колеса к направлению воздушного потока — с горизонтальной осью вращения параллельной или перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье)
Слайд 27Ветроэнергетические установки (ВЭУ)
С горизонтальной осью вращения параллельной вектору скорости
С
горизонтальной осью вращения перпендикулярной вектору скорости (ротор Дарье)
Слайд 28Ветроэнергетические установки (ВЭУ)
Уровень шума крупных ВЭУ непосредственно у основания
башни не превышает 95-100 дБ.
Обычно для энергетических целей используют
кинетическую энергию приземного слоя воздуха высотой не более 200 м с максимальной плотностью ρ. При этом для повышения мощности увеличивают высоту башни, так как скорость ветра увеличивается с высотой по сложной степенной зависимости.
В мировой практике принято считать, что, если среднегодовая скорость ветра в данной местности превышает 5 м/с, то использование ВЭУ представляется эффективным.
Слайд 29Ветроэнергетические установки (ВЭУ)
Чем выше расчётная скорость ветра, тем выше
эффективность ВЭУ. Обычно в качестве неё применяется среднегодовая скорость ветра
v0 (м/с), которая относительно мало меняется по годам. В то же время скорость ветра в течение года может существенно меняться во времени (как в течение суток, так и года в целом). Для неё характерны случаи, когда скорость ветра равна нулю (штиль), или не превышает v min (в этом случае мощность ВЭУ равна нулю из-за малой скорости ветра), или превышает v max (здесь мощность ВЭУ также равна нулю, но уже по соображениям прочности сооружений). Это означает, что гарантированная мощность ВЭУ в этих случаях равна нулю, и использование ВЭУ может лишь привести к экономии других видов энергоресурсов.
Слайд 30Ветроэнергетические установки
Процесс изменения скорости ветра в течение года имеет свои
закономерные зависимости (зимой скорость ветра выше, чем летом; в полдень
выше, чем утром), а также существенную случайную составляющую. Для описания процесса изменения скорости ветра во времени требуются ежедневные наблюдения за скоростью ветра в данной точке не менее чем для 10 - 12 лет. Для описания ветрового процесса используются различные характерные функции распределения для разных географических зон России: распределения Гриневича, Рэлея, Вейбулла—Гудрича и др.
Слайд 31Ветроэнергетические установки
Обычно они представляют собой зависимость частоты появления скорости v
i (м/с) в течение года ti(v i) в часах или относительных
единицах. Указанные зависимости называются также кривыми дифференциальной повторяемости скоростей ветра t(v) и рассчитываются для условий ровной местности и высоты флюгера 10 м. Учёт реальных условий местности (впадин, холмов, строений, леса и т.п.) производится путём пересчёта указанной t(v) с помощью специальных коэффициентов (в России обычно принимается шкала Милевского).
Слайд 32Ветроэнергетические установки
В ветроэнергетических расчётах учитывается также и «роза ветров», т.е.
характерные направления скоростей ветра в данной точке в течение года.
Особое значение «роза ветров» приобретает в случае строительства ветропарков или ветроэлектростанций (ВЭС), состоящих из нескольких ВЭУ (десятков -сотен) в данной местности.Для оценки перспективности ВЭУ в данной местности или регионе необходимо знать его валовые, технические и экономические ветроэнергетические ресурсы. На рисунке представлены энергоресурсы ветроэнергетики России.
Слайд 34Использование энергии ветра в России весьма незначительно, хотя в стране
имеется хороший производственный потенциал для разработки ВЭУ любой мощности (до
1 МВт).Весьма ощутим успех развития ветроэнергетики в мире, где ежегодный прирост мощности в последнее десятилетие составляет более 30 %. Абсолютным лидером здесь является Германия.
В России работают Крюковская ВЭС (г. Калининград) мощностью 5,1 МВт, Анадырская ВЭС (Чукотка) мощностью 2,5 МВт, Элистинская ВЭС (Калмыкия) мощностью 22 МВт.
Весьма перспективным для России представляется совместное использование ВЭУ и дизельных энергоустановок (ДЭУ), которые в настоящее время составляют основы локальных систем электроснабжения обширных северных территорий страны
Слайд 38Геотермальные электростанции (ГеоЭС)
Геотермальные электростанции (ГеоЭС) используют дешёвую энергию термальных
источников.
Развитие геотермальной энергетики России позволит в ближайшие годы полностью проблему
тепло- и электроснабжения больших регионов: Камчатки, Курильских островов, Северного Кавказа, отдельных районов Сибири и на большой территории существенно улучшить систему теплоснабжения на основе тепла Земли с применением тепловых насосов.В России сектор теплоснабжения потребляет более 45% всей энергии страны, при этом только центральное теплоснабжение будет достигать 33-35%.
Слайд 39На большой территории России имеются запасы тепла Земли с температурой
30-40 С, а в отдельных районах имеются геотермальные резервуары с
температурами до 300 С
Слайд 40На территории России разведано около 50 геотермальных месторождений с запасами
термальных вод, которые позволяют получить более 240*103 м3/сут и парогидротерм
производительностью 105*103 м3/сут.На территории страны пробурено более 3000 скважин для использования геотермальных ресурсов.
В 1965-1967 гг. на Камчатке были построены Паужетская и Паратунская ГеоЭС.
Паратунская ГеоЭС — первая в мире ГеоЭС с бинарным циклом, которая явилась прототипом почти 400 ГеоЭС, построенных в других странах.
Бинарные электростанции — это двухконтурные станции с использованием в каждом контуре своего рабочего тела; при этом температура геотермальной воды должна быть более 85 С.
Слайд 41Блочные ГеоЭС с бинарным циклом мощностью от 300 кВт до
10 МВт (эл) позволяют обеспечить ряд удалённых посёлков Камчатки, Чукотки
и Сибири теплом и электроэнергией.
Слайд 42Геотермальные электростанции
В настоящее время в зависимости от температуры геотермальные ресурсы
широко используются в электроэнергетике и теплофикации, промышленности, сельском хозяйстве, бальнеологии
и других отраслях
Слайд 44Геотермальное теплоснабжение наиболее выгодно при прямом использовании геотермальной горячей воды,
а также при применении тепловых насосов, которые могут эффективно использовать
тепло Земли с температурой от 10 до 20 С.Тепловой насос — машина, предназначенная для передачи внутренней энергии от теплоносителя с низкой температурой к теплоносителю с высокой температурой с помощью с помощью внешнего воздействия для совершения работы.
В основе принципа работы лежит обратный цикл Карно.
Слайд 45Россия занимает ведущее место в создании и эксплуатации централизованного теплоснабжения
больших городов.
Однако в нашей стране слабо развиваются локальные сети
теплоснабжения на базе тепловых насосов, которые при затрате 1 кВт электрической мощности позволяют выдать в систему отопления от 3 до 7 кВт тепловой мощности.Тепловые насосы широко применяются во многих странах мира. Наиболее мощная теплонасосная установка работает в Швеции мощностью 320 МВт (тепл); в ней используется тепло Балтийского моря.
Наибольшего эффекта в локальном теплоснабжении можно достигнуть с помощью тепловых насосов, используя низкотемпературные геотермальные источники тепла.
Слайд 46Топливные элементы
Преобразование химической энергии топлива в электрическую через промежуточные
стадии – тепловую и механическую – не может совершаться с
КПД более высоким, чем КПД цикла Карно. Как отмечалось выше, КПД лучших конденсационных электростанций достигает лишь 40-41%. В связи с этим ведётся разработка генераторов электрической энергии, в которых превращение химической энергии топлива, в электрическую производится, минуя тепловую стадию. Такие устройства называются топливными элементами (ТЭ) или электрохимическими генераторами.
Слайд 47Топливные элементы
Топливные элементы относятся к химическим источникам тока. Они
осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие
с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.
Слайд 48Топливные элементы
В процессе горения (окисления) происходит переход электронов от
атомов топлива к атомам окислителя с образованием молекул продуктов сгорания,
которые обладают меньшей энергией, чем исходные атомы. Выделившаяся энергия и превращается при горении в энергию движения атомов и молекул, т.е. в теплоту. Чтобы превратить химическую энергию в электрическую, нужно заставить электроны, переходящие от атомов топлива к атомам окислителя, перемещаться в заданных направлениях.
Слайд 49Топливные элементы
Реакцию окисления топлива можно разбить на несколько этапов:
ионизация
атомов или молекул топлива с образованием свободных электронов и положительных
ионов;присоединение образовавшихся свободных электронов к нейтральным атомам окислителя с образованием отрицательных ионов;
соединение положительных ионов топлива с отрицательными ионами окислителя с образованием нейтральных молекул продуктов реакции окисления (горения).
Слайд 50Топливные элементы
В качестве окислителя в топливных элементах применяется кислород.
Причём, поскольку кислорода, вполне достаточно в воздухе, то волноваться о
подаче окислителя не надо. Что касается топлива, то им является водород. Итак, в топливном элементе протекает реакция:В итоге получается полезная энергия и водяной пар. Самым простым по своему устройству является топливный элемент с протонообменной мембраной.
Слайд 52Топливные элементы
Работает ТЭ следующим образом: попадающий в элемент водород
разлагается под действием катализатора на электроны и положительно заряженные ионы
водорода . Затем в действие вступает специальная мембрана, исполняющая здесь роль электролита в обычной батарейке. В силу своего химического состава она пропускает через себя протоны, но задерживает электроны. Таким образом, скопившиеся на аноде электроны создают избыточный отрицательный заряд, а ионы водорода создают положительный заряд на катоде (напряжение на элементе получается порядка 1В).
Слайд 53Топливные элементы
Для создания большой мощности, топливный элемент собирают из
множества ячеек. Если включить элемент в нагрузку, то электроны потекут
через неё к катоду, создавая ток и завершая процесс окисления водорода кислородом. В качестве катализатора в таких топливных элементах, как правило, применяются микрочастицы платины, нанесённые на углеродное волокно. Мембрана, как правило, изготавливается из серосодержащего полимера нафиона. Толщина мембраны равна десятым долям миллиметра. При реакции, конечно, выделяется и тепло, но его не так уж много, так что рабочая температура поддерживается в области 40-80°С.
Слайд 54Топливные элементы
В топливном элементе с кислым электролитом водород подаётся
через полый анод и поступает в электролит через очень мелкие
поры в материале электрода. Эти элементы непрерывно снабжаются кислородом и водородом для получения электрической энергии в результате постоянно поддерживающейся химической реакции. При этом происходит разложение молекул водорода на атомы, которые в результате хемосорбции, отдавая каждый по одному электрону, превращаются в положительно заряженные ионы.
Слайд 57Топливные элементы
Ионы водорода диффундируют через электролит к положительной стороне
элемента. Подаваемый на катод кислород переходит в электролит и также
реагирует на поверхности электрода с участием катализатора. При соединении его с ионами водорода и электронами, которые поступают из внешней цепи, образуется вода:
Слайд 58Топливные элементы
В топливных элементах со щелочным электролитом (обычно это
концентрированные гидроксиды натрия или калия) протекают сходные химические реакции. Водород
проходит через анод и реагирует в присутствии катализатора с имеющимися в электролите ионами гидроксила (OH-) с образованием воды и электрона:
Слайд 59Топливные элементы
На катоде кислород вступает в реакцию с водой,
содержащейся в электролите, и электронами из внешней цепи. В последовательных
стадиях реакций образуются ионы гидроксила и пергидроксила. Результирующую реакцию на катоде можно записать в виде:
Слайд 60Топливные элементы
Поток электронов и ионов поддерживает баланс заряда и
вещества в электролите. Образующаяся в результате реакции вода частично разбавляет
электролит. В любом топливном элементе часть энергии химической реакции превращается в тепло. Поток электронов во внешней цепи представляет собой постоянный ток, который используется для совершения работы. Большинство реакций в топливных элементах обеспечивают ЭДС около 1 В. Размыкание цепи или прекращение движения ионов останавливает работу топливного элемента.
Слайд 61Топливные элементы
ТЭ находят применение в стационарной и автономной энергетике.
Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки
должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем.
Слайд 63Топливный элемент с щелочным электролитом, установленный на космическом корабле «Space
Shuttle»
Слайд 64Биотопливная энергетика
Биотопливная энергетика основана на получении жидкого, твёрдого или
газообразного топлива из возобновляемого биологического сырья. Существует много способов получения
биотоплива, к примеру, есть заводы по переработке стеблей сахарного тростника, семян рапса, кукурузы, сои, и других растений. Можно получать биотопливо, перерабатывая отходы животноводческой промышленности, получая при этом побочный продукт в виде удобрений.
Слайд 65Биотопливная энергетика
Производство электроэнергии из биотоплива быстро растёт во всем
мире. По мнению ряда аналитиков, к 2015 году мощности по
производству электричества из биотоплива вырастут на 8 000 МВт.В настоящее время во всём мире насчитывается 2000 биотопливных ТЭЦ с общей мощностью 22,5 ГВт. Они расположены в 40 разных странах. В Европе находится половина из них.
Около 800 ТЭЦ с общей мощностью 8700 МВт были запущены за последние пять лет. К 2015 году ещё 9000 новых биотопливных теплоэлектростанций должны заработать во всём мире. Вложения в строительство и эксплуатацию этих энергоустановок вырастут с 12,2 млрд евро до 15,5 млрд евро в год.
Слайд 66Биотопливная энергетика
Биото́пливо — топливо из биологического сырья, получаемое, как правило,
в результате переработки биологических отходов. Различается жидкое биотопливо (для двигателей
внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга) и газообразное (биогаз, водород).
Слайд 68Биотопливная энергетика
В настоящее время производится жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего
сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, солома) и
газообразное биотопливо (метан). На ранней стадии разработки находятся технологии по получению топлива из целлюлозы, органических сельскохозяйственных, бытовых отходов, отходов лесной промышленности. Они являются наиболее перспективными и безопасными для окружающей среды. Считается, что биотопливо в большей степени соответствует экологическим стандартам, потому что при сгорании выделяет меньше парниковых газов, губительных для окружающей среды.
Слайд 71Биотопливная энергетика
В настоящее время наиболее перспективным газообразным топливом является
биогаз, интерес, к использованию которого в последние годы постоянно возрастает.
Биогаз это газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы. Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие.
Слайд 72Биотопливная энергетика
Биогаз состоит из метана (55-85%) и углекислого газа
(15-45%). Биогаз плохо растворим в воде, его теплота сгорания составляет
от 21 до 27,2 МДж/м³. По теплоте сгорания 1 м³ биогаза эквивалентен: 0,8 м³ природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров.
Слайд 73Биотопливная энергетика
Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным
продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород. Водород получается
термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500—800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.
Слайд 74Биотопливная энергетика
Мировая история насчитывает свыше двух тысячелетий производства биогаза.
Впервые биогаз начали использовать в Китае. Древние германцы использовали биогаз
для приготовления пищи в своих жилищах. Биогаз получали из биомассы заболоченной местности бассейна Эльбы.Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Бомбее (Индия) в 1859 году. Тогда же установили, что возможности по использованию сырья для производства биогаза поистине безграничны.
Слайд 75Биотопливная энергетика
В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса
выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании
зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.Поскольку энергия биогаза определяется только содержанием в нём метана, целесообразно, для описания качества газа, выхода газа и количества газа всё относить к метану, с его нормируемыми показателями.
Слайд 76Биотопливная энергетика
В зависимости от источника получения биогазы подразделяются на
три основных вида:
газ метантенков, получаемый на городских очистных канализационных
сооружениях;биогаз, получаемый в биогазовых установках (БГУ) при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств;
газ свалок, получаемый на полигонах отходов, содержащих органические компоненты.
Слайд 78Биотопливная энергетика
Основа любой биогазовой установки – биореактор и к
его конструкции предъявляются достаточно жёсткие требования. Так, корпус биореактора должен
быть достаточно прочен при абсолютной герметичности его стенок. Обязательны хорошая теплоизоляция стенок и их способность надёжно противостоять коррозии. При этом необходимо предусмотреть возможность загрузки и опорожнения реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания.
Слайд 79Биотопливная энергетика
Для нормального функционирования объём газа, вырабатываемого биогазовой установкой,
в идеале должен соответствовать объёму газа, расходуемого потребителем в каждый
данный момент. Но очевидно, что на практике такого соответствия добиться невозможно и обычно объём газа используемого либо больше, либо меньше объёма газа производимого. Поэтому, чтобы рационально применять биогаз в хозяйстве, необходимо предусмотреть аккумулирование («собирание») газа в специальной ёмкости, называемой газгольдером.
Слайд 82Биотопливная энергетика
Производство биогаза улучшает экологию, так как позволяет предотвратить
выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект
в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления. Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.
