Источники энергии и их классификация

В настоящее время по признаку образования источники энергии под­разделяются на невозобновляемые и возобновляемые. Невозобновляемые источники, в свою очередь, по признаку получения энергии классифицируются на первичные и вторичные [14]. Общая классификация источников энергии представлена в табл. 1.

Таблица 1

Общая классификация источников энергии

В соответствии с прогнозом МИРЭК к 2020 г. мировое производство энергетических ресурсов составит от 20 до 27 млрд. тонн условного топ­лива или 163–204 млрд. МВт·ч.

Прогнозные оценки свиде­тельствуют о том, что в первые десятилетия XXI в. не произойдет коренной технологической перестройки в структуре производства энергетических ре­сурсов, новые технологии начнут только внедряться. Термоядерная энергия может стать практически неисчерпаемым источником энергоснабжения.

В первой половине XXI в. лучистая энергия Солнца будет широко приме­няться лишь для нужд отопления, горячего водоснабжения. Развертываются работы по созданию солнечных электростанций, основанных на применении солнечной энергии совместно с паротурбинным циклом, либо на ис­пользовании технологии прямого преобразования лучистой энергии Солнца в электричество.

В табл. 2 представлена оценка ресурсов энергии на Земле [14].

Таблица 2

Оценка ресурсов энергии на Земле

Потенциальные ресурсы энергии ветра могут быть эффективно использованы лишь в определенных географических районах [8].

Общее количество геотермальной энергии, содержащейся в недрах Земли на глубине до 10 км, на порядок превышает ресурсы всех видов органического топлива, вместе взятых. При современном развитии науки и техники практическое применение может получить лишь очень незначительная часть этих ресурсов, содержащихся в подземной горячей воде и паре. Их основная часть имеет слишком низкий энергетический потенциал и может быть использована лишь в качестве источника теплоты для нужд теплоснабжения. Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что органическое топливо является и в перспективе до первой четверти XXI века останется наиболее распространенным первичным источником энергии теплотехнических процессов.

Энергия– это способность тела или системы тел совершать работу. Энергию разделяют на первичную (солнечная энергия, ветровые потоки, движение воды, энергия топлива, внутренняя теплота Земли, радиоактивное излучение и т. д.) и вторичную, которая вырабатывается за счет первичной, например на тепловых электростанциях [7].

Под энергией понимают различные формы движения материи. В зависимости от этого энергию принято разделять на механическую, тепловую, внутреннюю, электрическую, химическую, ядерную и др.

Тепловая энергия, или теплота тела, – это энергия беспорядочного движения микрочастиц. Чем выше интенсивность движения этих частиц, тем большей тепловой энергией, или теплотой, располагает тело. Можно сказать, чем выше температура данного тела, тем большей тепловой энергией оно располагает.

В системе СИ за единицу измерения энергии, в том числе и тепловой, принят джоуль (Дж).

Для измерения тепловых величин применяют внесистемные единицы, за основу которых взята калория (кал) или килокалория (ккал). Килокалория равна количеству тепла, которое необходимо передать 1 кг воды при атмосферном давлении для повышения его температуры на 1 °С. 1 ккал = 4,18·10³ Дж.

Все виды энергии, одни – в большей, а другие – в меньшей мере, обладают способностью переходить (превращаться) в другие, причем при переходе одного вида энергии в другой ее суммарное количество остается неизменным.

Это свойство энергии формулируется как основной закон природы – закон сохранения и превращения энергии, открытый В. М. Ломоносовым: движение материи (энергия) не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а превращается из одной формы в другие в строго определенных количествах.

Разновидностью закона сохранения энергии является первый закон термодинамики: теплота и работа при определенных условиях могут преобразовываться друг в друга в эквивалентных количествах. Или: энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в ходе различных физических и химических процессов.

Другими словами, за счет некоторого количества тепла можно совер­шить эквивалентную работу, т. е.

Q = AL, (1)

где Q – количество теплоты, ккал; А – совершаемая работа, кгс/м; L – тепловой эквивалент работы, полученный опытным путем, L = 0,002342 .

То есть тепло, подведенное к телу, может не полностью затрачиваться на совершение работы, а частично расходоваться на изменение внутренней энергии тела. В этом случае газ изменит свою внутреннюю энергию (нагреется), расширяясь, совершит работу и переместит поршень.

Внутренняя энергиятела складывается из энергии поступательного и вращательного движения молекул, составляющих его, энергии внутримолекулярных колебаний, потенциальной энергии сил сцепления между молекулами, внутримолекулярной, внутриатомной (энергии электронных оболочек атомов) и внутриядерной энергии.

Если первый закон термодинамики характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны (то есть устанавливает количественное соотношение между теплом и работой при их взаимном превращении), то второй законтермодинамики характеризует качественную сторону этих процессов (то есть определяет условия, при которых происходят эти превращения).

Согласно ему невозможно превратить в работу все тепло, подведенное к рабочему телу. Часть тепла необходимо отдать другому телу с более низкой температурой, так называемому холодному источнику (конденсатору турбины, окружающей среде, в которую выбрасываются выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания или уходящие газы с котлов).

С точки зрения преобразования тепловой энергии в механическую эта часть тепла оказывается потерянной. Таким образом, для периодически действующей машины – двигателя – необходимо иметь два источника тепла: горячий, получаемый, например, за счет сгорания топлива, и холодный, например, конденсатор турбины.

Закону сохранения энергии подчинены все энергетические изменения (как в естественном виде в природе, так и в технике). Исследовать действие закона превращения энергии в технике можно на примере получения электричества.

На тепловой электрической станции при сгорании его в топках котлов топлива первичная внутренняя энергия превращается в тепло продуктов сгорания. Оно нагревает воду и превращает ее в пар, который подается на турбину.

В турбине тепловая энергия пара переходит в кинетическую энергию движущейся струи. Пар, проходя с большой скоростью между лопатками турбины, заставляет ротор турбины вращаться.

Механическая энергия вала турбины передается электрогенератору, в котором она превращается в электрическую. Однако в процессе перехода энергии из одного вида в другую часть ее не удается полезно использовать. Это объясняется потерями энергии в результате неполного сгорания топлива, с уходящими газами из котлов, а также затратами на преодоление сил трения, в конденсаторе турбины, рассеиванием тепла в окружающей среде и т. д.

Степень полезного использования энергии при ее превращениях в устройствах и механизмах определяет коэффициент полезного действия (КПД) машины или установки. Таким образом, КПД ( ) характеризует степень совершенства паросиловой установки, ее механизмов и устройств.