Энергетика будущего. Возможные проблемы

                                                      

 

ГОУ гимназия№1505

«Московская городская педагогическая гимназия»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Энергетика  будущего. Возможные проблемы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

автор: ученик 9 класса «А»

Чередник Никита

Руководитель: Наумов А.Л

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва

2012

 

 

 

 

Оглавление:

Введение.....................................................................................................3

Глава 1 Анализ существующих электростанций………………………………………………………….4-9

1. Теплоэнергетика....................................................................................4-5
2. Гидроэлектростанции…………………………………………………5-6

1.3 Атомная электростанция………………………………………………6-8

Глава 2 Альтернативные источники энергии и перспективы их развития…………9-14

2.1 Использование энергии ветра……………………………………………………………………9

2.2 Использование геотермальной энергии…………………………………………………………………10

2.3 Энергия  морских волн…………………………………………………………………….11

2.4 Приливные  электростанции…………………………………………...11-12

2.5 Солнечная энергия в энергетике……………………………………………………………..12-14

Глава 3 Проблемы современной энергетики…………………………………………………………….15-17

Заключение………………………………………………………………18

Литература……………………………………………………………….19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Данный реферат посвящен проблеме развития энергетики в будущем.

Объектом моего исследования выступают  разные виды наиболее перспективных  электростанций.

Энергетика - важнейший ресурс, необходимый обществу для полноценного развития и охватывающий разные сферы жизни человечества, такие как экономика и наука. Мы используем энергию в повседневной жизни, когда включаем свет, заряжаем телефон и т.д.  И сейчас для производства такого важного ресурса мы используем исчерпаемые источники. Но задумывались вы, что делать, если они иссякнут? По последним сводкам органического топлива (нефть, уголь) остается только на 300, в лучшем случае, 400 лет.

И чтобы не решится энергетики, мы должны искать альтернативные источники и модернизировать уже существующие.  

В своей работе, проанализировав научно-популярную литературу,  я постараюсь доступно объяснить принцип работы различных электростанций, указать на проблемы, которые предстоит решить, и предположить какие электростанции человечество будет использовать в ближайшем будущем.

Логически мою работу можно разделить  на три части.

В первой я постараюсь рассказать об устройстве, преимуществах и недостатках  уже существующих электростанций. Во второй часть мы перейдем к обсуждению альтернативных источников энергии. И  наконец мы рассмотрим проблемы современной энергетики такие, как транспорт энергии и т.д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1.

Устройство и анализ уже существующих электростанций.

В данной главе мы рассмотрим устройство  уже существующих электростанций, их основные элементы, по  которым различают одну электростанцию от другой, а также перспективы их развития.

1. Теплоэнергетика

Теплоэнергетика является наиболее распространенной в современном мире, однако кроме преимуществ,  делающих тепловые электростанции(ТЭС) самыми распространенными в мире, есть и заметные недостатки с которыми предстоит работать. Рассмотрим устройство ТЭС.

 

Любая ТЭС состоит из пяти основных элементов: 

1. паронагреватель
2. паровая турбина
3. конденсатор
4. насос
5. котел

 

 

На рис.1 представлена схема устройства ТЭС.

Органическое топливо подается в топу котла (5 на схеме), там  оно сжигается. За счет выделяемого тепла и воды, подаваемой в котел через насос 4, образуется насыщенный пар.

В паронагревателе 1 температура пара повышается до требуемой величины. Далее, пар поступает в паровую турбину 2, где его тепловая энергия превращается в механическую: пар раскручивает турбину, которая соединена с валом электрогенератора(на схеме изображен справа от паровой турбины 2), преобразующего механическую энергию в электрическую. Выходящий из турбины пар поступает в конденсатор 3, по трубкам которого прокачивается охлаждающая вода, благодаря этому водяной пар переходит в жидкое состояние, то есть в воду. Вода из конденсатора подается в котел. Цикл замыкается.

                         

Рис 1.

Схема устройства ТЭС

 

 

 

 

Теперь стоить рассмотреть причины, по которым  ТЭС являют одной из самых распространенных разновидностей электростанций.

Во-первых, сроки возведения ТЭС  достаточно коротки, по сравнению с  другими типами электростанций.

Во-вторых, капиталовложения для возведения ТЭС существенно ниже, чем для АЭС и ГЭС.

В-третьих, ТЭС можно возводить  в любом месте. Например, для постройки  ГЭС необходимо строить на реке, а  АЭС в целях безопасности строят далеко от населенных пунктов. ТЭС менее зависит от расположения, однако следует учесть, что для ТЭС нужно «топливо», то есть уголь, нефть и т.д, поэтому выгоднее строить ТЭС недалеко от места добычи этих ресурсов, в противном случае будут слишком большие затраты на перевозку топлива.

Таким образом, ТЭС на фоне других типов электростанций выглядит достаточно конкурентоспособными.

Однако стоить обратить внимание на некоторые недостатки ТЭС. Один из них  является загрязнение окружающей среды.

Например, очень трудно бороться с  оксидами азота, особенно серы. Однако есть варианты решения такого рода проблем, например, наиболее экологичным вариантом топлива для ТЭС является природный газ, однако он более дорогой, чем уголь.

Другой проблемой является тот  факт, что наука и многочисленные опыты показывают, что нельзя всю  имеющуюся тепловую энергию  преобразовать в механическую, что сказывается на КПД ТЭС. «Это связано с тем, что тепловая энергия имеет существенное отличие от других видов энергии, обусловленное тем, что в основе ее лежит неупорядоченное движение мельчайших частиц вещества. Порядок просто превратить в хаос, упорядочить же хаос гораздо труднее».¹    

Теперь давайте рассмотри устройство гидроэлектростанций, то есть ГЭС. Другой вид электростанций, который уже  нашел применение в современной энергетике.

 

2. Гидроэлектростанции (ГЭС).

Экономические показатели ГЭС вполне подходящие: себестоимость электроэнергии, произведенной ГЭС, гораздо ниже, чем для ТЭС и АЭС, а капитальные вложения хотя и выше, чем для ТЭС, но ниже, чем для АЭС.

Давайте рассмотрим устройство ГЭС(рис.2). Электростанции такого рода состоят из: резервуаров, находящихся на разных уровнях и насоса-турбины, которая может работать, как насос для переливания воды из нижнего резервуара в верхний, и наоборот работать, как гидравлическая турбина, соединенная с электрическим генератором.

ГЭС забирает из электрической сети «избыток» энергии (в период снижения потребности в ней) и с ее помощью перекачать некоторое количество воды из нижнего резервуара в верхний, создав, таким образом, запас потенциальной энергии.

Наоборот, в часы повышенного спроса на электрическую энергию (в часы пик) запасенная в верхнем резервуаре вода перепускается через мотор-генератор, работающий в это время в режиме генератора и производящий электроэнергию, в нижний резервуар.

 

 

                        Рис. 2 Схема устройства ГСЭ

Несмотря на тот факт, что ГЭС сейчас составляет около 49%² всей электроэнергетики, не стоит забывать о недостатках.

Во-первых, ГЭС имеет относительно низкий КПД, около 70%. Иначе говоря, ГЭС может отдать потребителю в час пик только 70%  электроэнергии, которая была забрана ею в часы пониженного спроса.

Во-вторых, относительно высокая стоимость  строительства.

Однако не стоит забывать о положительных  сторонах такого типа электростанций. 

Разобравшись с гидроэлектростанциями, рассмотрим другой вид электростанций, а именно атомная электростанция.

1.3 Атомная электростанция (АЭС)

Современная атомная энергетика основывается на экспериментально установленном  факте деления тяжелых ядер элементов (урана, плутония, тория) в результате попадания в ядро нейтрона, развивается цепная реакция с выделением огромного количества энергии, то есть тепла.

Стоит отметить, что один из названных  элементов -  плутоний встречается  на Земле в очень маленьких  количествах в урановых рудах.

 Это не помешало, добытому в ядерных реакторах плутонию, 239Рu, стать наряду с ураном важнейшим ядерным топливом.

 Важно заметить, что масса  тяжелого ядра (урана, плутония  или тория) до ядерной реакции  несколько больше суммы, масс, получаемых в результате реакции продуктов реакции. То есть мы имеем здесь дело с так называемым дефектом массы - явлением, связанным с огромным энерговыделением.

В атомной энергетике имеют дело с двумя типами нейтронов: так называемыми быстрыми, обладающими большей энергией, возникающими в результате ядерной реакции, например при делении ядра урана, и нейтронами, именуемыми замедленными. Однако их  энергия  приблизительно в 100 раз меньше энергии быстрых нейтронов. Тепловые (замедленные) нейтроны можно получить, используя замедлитель, которым может служить обычная или тяжелая (вода Тяжелая вода - изотопная разновидность воды, в молекулу которой входят тяжелые изотопы водорода, наиболее известна тяжелая вода D2O, где D - дейтерий, изотоп водорода.) и графит.

 АЭС на тепловых нейтронах  должен состоять из:

1. замедлителя;
2. теплоносителя;
3. активной зоны реактора;
4. биологической защиты.

В активной зоне находятся топливо  и регулирующие стержни, задачи которых  обеспечить управление цепной ядерной  реакции. Их изготавливают из веществ, которые хорошо поглощают нейтроны, например, графит, но для реактора на быстрых нейтронах не существуют эффективных поглотителей, поэтому используют вещества-рассеиватели, например, никель. И в отличие от поглотителя, такой стержень в начале работы реактора находится за пределами активной зоны, а затем вводится в активную зону.

Топливо в активной зоне реактора помещают в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах), каждый из которых состоит  из сердечника и оболочки. Сердечник  представляет собой ядерное топливо.

Оболочка ТВЭЛа часто выполнена  из сплавов алюминия и циркония или грфита высокой прочности, в зависимости от условий, в частности от температуры. Оболочка ТВЭЛа  должна быть герметичной, высокопрочной, должна обладать высокой  устойчивостью в интенсивном нейронном потоке. Именно эти материалы и удовлетворяют требованиям. 

  Биологическая защита – это своего рода защита, которая оберегает от излучения. Биологическая защита часто делается из бетона высокого качества и обычно содержит около 10% воды, являющейся, хорошим поглотителем нейтронов. В бетон часто добавляется карбид бора, также хорошо поглощающий нейтроны. Частицы, составляющие радиоактивное излучение, сначала замедляются в результате столкновений с ядрами атомов вещества, составляющего защиту, а затем поглощаются.

                   ^{Рис.3 Схема устройства водо-водяного реактора}

 

Теперь перейдем к обсуждению принципа работы АЭС.

Перед началом работы реактора стержни  полностью вводят в его активную зону (для тепловых нейтронов). При  этом поглощается большая часть нейтронов, следовательно реакция делений ядер не происходит, затем по мере выводя из активной зоны реактора, процесс ускоряется. Благодаря автоматике высота стержней регулируется таким образом, чтобы число нейтронов было постоянным, иначе произойдет взрыв (неуправляемая ядерная реакция). Теплоноситель (чаще всего вода), циркулирующий в активной зоне реактора, нагревает и превращает воду  в пар. Пар вращает турбину, которая соединена с ротором генератора электрического тока. А отработанный пар попадаетв конденсатор. Цикл замыкается.(рис.4)

Таким образом, получается, что АЭС отличается от ТЭС в основном только реактором. И, в общем, их принцип работы  очень похожи.

 Рис.4 Схема устройства водо-водяного реактора и теплообменника - парогенератора

 

«При работе другого типа реактора, на быстрых нейтронах, его ещё называют реактор-множитель, получают не только электроэнергию, используя 239Ри и 233U как исходное ядерное топливо, но и новую порции  239Ри и 233U, как побочный продукт.

Еще одной отличительной чертой данного типа реактора является то, что в теплообменнике и парогенераторе используется жидкий металл, чаще всего натрий. Так как вода может поглощать нейтроны, что не является необходимым в данном типе АЭС.

Таким образом, получается, что АЭС  имеют право быть одними из наиболее распространенных типов электростанций, но основным вопросом остается вопрос безопасности. Одним из предложенных вариантов является сооружение АЭС под землей.»³