Баганов Є.О. Конспект лекцій з дисципліни Джерела енергії на Землі

Подождите немного. Документ загружается.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра енергетики та електротехніки

Рег. № 12/898-11.03.09

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

(опорний конспект лекцій)

з дисципліни ______________________________________________

назва

для студентів ____________ курсу

для спеціальності: __________ _______________________________

шифр назва

напряму підготовки _________________________________________

шифр назва

факультету ________________________________________________

назва

Херсон – 2009 р.

Джерела енергії на Землі

6.0905.04 Нетрадиційні джерела енергії

0905

Енергетика

Кібернетики

Конспект лекцій (опорний конспект лекцій) з дисципліни «Джерела

енергії на Землі», для спеціальності 6.0905.04 «Нетрадиційні джерела

енергії», напряму підготовки 0905 «Енергетика»

Укладач : к.т.н. Баганов Є.О., кількість сторінок 185.

Затверджено

на засіданні кафедри енергетики та електротехніки

протокол № 8 від 27.02.09

Зав. кафедри ______________

Відповідальний за випуск ______________________________________

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Зміст

Лекція №1. Основні визначення, класифікація

енергетичних ресурсів .

Лекція №2. Енергетичний потенціал вітру

Лекція №3. Енергетичний потенціал сонячного

випромінювання. Пряме випромінювання

Лекція №4. Енергетичний потенціал сонячного

випромінювання (продовження). Розсіяне

випромінювання.

Лекція №5. Джерела геотермального тепла

Лекція №6. Енергетичні ресурси океану. Енергія біомаси

Лекція №7. Гідроенергетика. Вторинні джерела енергії

Лекція №8. Ресурсна база невідновлювальних джерел

енергії: вугілля, нафти, природного газу, ядерного

палива. Енергетична оцінка резервів.

Лекція №9. Нормативна база видобування енергії

Лекція №10. Основи утилізації та перетворення

енергетичних ресурсів. Термодинамічні оцінки ккд.

Ідеальні та реальні перетворювачі.

Лекція №11. Теорія ідеального та реального вітряків

Лекція №12. Перетворення енергії Сонця

102

Лекція №13. Основні підходи до перетворення енергії

хвиль. МГД-генератори.

114

Лекція №14. Основні процеси переробки біомаси:

аеробний та анаеробний процеси, ферментація

125

Лекція № 15. Принципи утилізації низькопотенційного

тепла. Теплові насоси

133

Лекція №16. Основні термодинамічні циклі установок

для спалювання газу, нафти та вугілля. Цикли з

регенерацією та рекуперацією.

144

Лекція №17. Основи коксування вугілля та крекінгу

нафти.

164

Лекція №18. Паливні елементи та воднева енергетика

173

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Лекція 1

ОСНОВНІ ВИЗНАЧЕННЯ, КЛАСИФІКАЦІЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ РЕСУРСІВ .

Основні визначення

Ресурсна база – загальна кількість енергії усіх видів.

Ресурси – частина ресурсної бази, що оцінюється як у принципі

придатна до використання. Оцінка ґрунтується як на достовірних знаннях,

так і на розумних припущеннях про перебування покладів корисних копалин

і можливих технологій їхнього добування.

Енергетичні ресурси — це будь-які джерела механічної, хімічної і

фізичної енергії. Їх можна класифікувати по джерелах і місцю розташування,

швидкості вичерпання, можливості самовідновлення й інших ознак.

Природні енергетичні ресурси — гідроенергія, геотермальна, ядерна,

сонячна енергія, вітроенергія, енергія морських припливів і відливів, енергія

біомаси та енергія, вироблена іншими нетрадиційними джерелами.

Резерви –

частина ресурсів. Придатна до використання при існуючих

економічних і технологічних умовах. У залежності від ступеня надійності

знань про них резерви підрозділяються на:

Можливі – з малим ступенем вірогідності;

Ймовірні – можуть стати економічно ефективними при

невеликому збільшенні інформації;

Доведені – напевно буде витягнута при існуючих економічних і

технологічних умовах.

Класифікація енергетичних

ресурсів

На практиці найчастіше виділяють декілька більш-менш однорідних

форм енергії: механічну, хімічну, теплову, ядерну, світлову (або променисту)

і електричну.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Всі енергоресурси поділяються на первинні і вторинні. Первинні

енергоресурси є результат природних процесів. До них відноситься природне

паливо, а також енергія сонця, вітру, водних ресурсів, біомаси й ін. До

вторинних енергетичних ресурсів відносяться всі перероблені або

перетворені види палива, а також побічна енергія виробничих процесів або

процесів у сфері споживання, що

може бути утилізована і використана

вдруге. Ця категорія включає продукти нафтопереробки, облагороджене

паливо, а також відпрацьована пара, відходи тепла, гарячі гази. До вторинних

енергоресурсів відносять енергію, що також зберігається.

Первинні Вторинні

Непоновлювані

(вугілля, нафта,

сланці, природний

газ, пальне)

Проміжні продукти збагачення і

сортування вугіль; гудрони, мазути й

інші залишкові продукти переробки

нафти; друзки, пні, суки при

заготівлі деревини; пальні гази

(доменний, коксовий); тепло ідуть

газів; гаряча вода із систем

охолодження; відпрацьована пара

силових промислових установок

Енергоресурси можна розділити на паливні (нафта, газ, вугілля,

деревина) і не паливні (гідроенергія, сонячна енергія).

Первинні енергоресурси можуть бути поновлювані і непоновлювані.

Поновлювані природні ресурси це такі об'єкти, про відновлення запасу

яких піклується сама природа. Багато хто з них практично не залежать від

того, якою мірою суспільство утягує них

у господарський оборот: сонячна

енергія, гідроресурси, вітер. Є й інші - такі, використання яких веде до

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

зменшення їхнього запасу в короткостроковому і навіть досить тривалому

часі. Приклад - біомаса. Вони, однак, можуть розглядатися як поновлювані в

тривалій перспективі.

Оцінка їхньої ресурсної бази повинна враховувати фактор часу.

Непоновлювані енергоресурси це такі ресурси, запас яким принципово

вичерпаємо - мінеральне паливо, уран.

Їхня ресурсна база – скінченна величина, тому що темп їхнього

утворення

мізерно малий.

Ресурсна база основних джерел енергії

Вугілля 10

т, 2,96·10

Нафта 2·10

т, 8,3·10

Дж

Газ 2·10

, 7·10

Дж

пальні сланці (важка нафта в пісках) 4,2·10

Дж

Ядерна енергія 4,2·10

Дж (уран), 10

дейтерій з води океану

Ресурси поновлювальної енергії

Первинний

вид енергії

Джерело енергії

Світові ресурси, 10

кВт*год/рік

Течія рік 0,028

Хвилі 0,005-0,05

Припливи і

відливи

0,09

Механічна

Вітер 0,5-5,2

Градієнт

температур:

Теплова

води морів і

океанів

0,1-1,0

0,001-0,01

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Первинний

вид енергії

Джерело енергії

Світові ресурси, 10

кВт*год/рік

повітря

надр землі

(вулканів)

0,05-0,2

Промениста

Сонячне

випромінювання

на поверхню

землі

повна енергія

200-280

1570

Хімічна Рослини і торф 10

ПОРІВНЯННЯ ПАЛИВ

Будучи різноманітними по якості, енергоресурси мають визначену

взаємозамінність; замість вугілля може бути використані мазут або газ,

замість урану - сонячна енергія і т.д. Як правило, суспільству не байдуже, які

види ресурсів або енергоносіїв застосувати для досягнення поставлених

цілей. При виробленні рішень про їхнє найкраще використання всі

енергоресурси важливо

зіставити кількісно. Найбільш зручним принципом

такого порівняння виявилося порівняння їхніх теплотворних здібностей,

тобто потенційного обсягу теплоти, виділюваної при спалюванні одиниці

даного палива. Для непаливних енергоресурсів спочатку, як правило,

оцінюється можливість вироблення з їхньою допомогою електричної енергії,

що також зводиться до одиниць теплотворної здатності.

Теплотворна здатність може вимірятися Джоулях (Дж), калоріях (

кал) або

англо-американських одиницях (Btu – British thermal Unit, 1 BTU = 1055,06

Дж – 1000 BTU - енергія згоряння 1 кубічного фута природного газу), т у.т.п

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Енергоресурси й енергоносії можна вимірювати в натуральних фізичних

одиницях і якихось умовних одиницях. У вітчизняній системі як натуральні

вимірники використовуються вагові одиниці тонни (а також відповідно

кілограми, грами), а для виміру кількості газоподібного палива - метричні -

кубічні (м

Умовне паливо грає ту ж роль, що й одиниці здатності: дозволяє

порівнювати різні види палива. Вітчизняна система бере за основу так

називаний "вугільний еквівалент" - таке паливо, тонна якого при спалюванні

виділяє 7000 кілокалорій тепла, тобто як високоякісне вугілля. Будь-яка

кількість палива можна звести до умовного палива, знаючи його теплотворну

здатність.

Наприклад, тонна сирої нафти виділяє приблизно 10000 ккал. Це

означає, що для переведення нафти у вугільний еквівалент випливають

зазначені обсяги помножити на коефіцієнт 1,43. Інші види палива мають інші

перерозрахункові коефіцієнти.

Таблиця 1 - Переклад в у.п., ккал, кДж

1 т у.т. = 7000 ккал, 1 кДж = 0,24 ккал

Найменування т у.т. ккал кДж

Електроенергія квт

год 0,123 864 3600

Доменний газ, м

0,12 818 3408

Косовий газ, м

0,51 3858 16075

Природний газ, 1000 м

1,2 8460 35250

Вугілля, т 1,02 7107 29613

Нафта, т 1,43 10000 41666,6

Пара виробнича, т 0,097 677 2820

Пара опалювальна, т 0,096 670 2791,6

Якість використовуваних видів палива, мабуть, залежить від їхньої

теплотворної здатності, хоча це і не єдиний фактор, його визначальний. У

цілому мається дуже твердий взаємозв'язок між теплотворною здатністю

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

ресурсу і його ціною, що не міняється, якщо розглядати не тільки первинні

види палива, але і вторинні.

Кафедра енергетики та електротехніки Джерела енергії на Землі

К.т.н., доц. Є.О. Баганов

Лекція 2

Енергетичний потенціал вітру

Вітроенергетичні ресурси виникають на Землі при нерівномірному

нагріванні її поверхні Сонцем. Протягом дня повітря над великими водними

поверхнями залишається порівняно холодним, тому що більша частина

енергії сонячного випромінювання витрачається на випар води або ж

поглинається нею. Над сушею, повітря нагрівається протягом дня більше, він

розширюється, легшає й

піднімається вгору. Його заміняє більше щільне

холодне повітря, розташований над водою. Так у прибережній зоні

виникають бризи.

Протягом ночі їхній напрямок над прибережними водами міняється на

зворотне, тому що суша прохолоджується швидше води й відповідно

знижується температура розташованого над нею повітря. Холодне повітря,

що рухається до моря, витісняє нагрітий, котрий

піднімається з поверхні

води. Аналогічно спостерігаються бризи з боку гір протягом дня, коли тепле

повітря піднімається уздовж схилу, нагрітого Сонцем. Уночі порівняно

холодне повітря на схилі стікає в долини.

Подібна циркуляція повітряних мас в земній атмосфері спостерігається

при великому нагріванні поверхні Землі поблизу екватора, чим у районах

полюсів. Вітер над холодною

поверхнею, що дме від полюсів до екватора,

заміщає гаряче повітря, що піднімається в тропіках і переміщається у верхніх

шарах атмосфери в напрямку до полюсів.

Обертання Землі також впливає на циркуляцію її повітря. Сили інерції,

які діють на холодне повітря, що рухається поблизу поверхні в напрямку до

екватора, прагнуть закрутити його

в західному напрямку. У той же час тепле

повітря, що рухається у верхніх шарах атмосфери в напрямку до полюса, має

тенденцію до повороту на схід. Ця циркуляція повітря на великому просторі

навколо зони зниженого тиску відбувається в напрямку, протилежному

напрямку руху годинникової стрілки в північній півкулі, і за годинниковою

стрілкою - у

південному. Тому що вісь обертання Землі нахилена під кутом