Производство электрической и тепловой энергии: Основные принципы организации производства и потребления электроэнергии в России

Энергетика — Что такое Энергетика?

AИ-95

0

AИ-98

0

Энергетика — это область хозяйственно-экономической деятельности, науки и техники, охватывающая энергетические ресурсы, производство, передачу, преобразование, аккумулирование и распределение различных видов энергии.

Целью энергетики является обеспечение производства энергии путем преобразования первичной, природной энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую, энергию.

При этом производство энергии чаще всего происходит в несколько стадий:

• получение и концентрация энергетических ресурсов;
• передача ресурсов к энергетическим установкам;
• преобразование с помощью электростанций первичной энергии во вторичную;
• передача вторичной энергии потребителям.

Суммарное потребление первичной энергии в мире составляет (по состоянию на 1.1.2017):

• нефть — 31,5%,
• уголь — 28%,
• природный горючий газ — 22%,
• биотопливо — 10%,
• АЭС — 5,5%,
• гидроэнергия — 2%,
• прочие источники энергии — 1%.

Топливно-энергетические ресурсы – важнейший фактор мировой политики и успешного развития мировой экономики.

Мировое потребление первичных энергоресурсов оценивается примерно в 10 млрд т нефтяного эквивалента в год.

Энергетика каждого государства функционирует в рамках созданной энергетической системы (энергосистемы), которая представляет собой совокупность всех звеньев цепочки получения, преобразования, распределения и использования всех видов энергии, связанных в одно целое общностью режима и непрерывностью процесса производства и распределения электрической и тепловой энергии, т. е. источников энергоресурсов, электростанций, котлов, турбин, генераторов, бойлеров, линий электропередачи, трансформаторов и потребителей электрической энергии.

Ключевыми показателями деятельности энергосистемы являются установленная мощность электростанций (сумма паспортных мощностей всех генераторов электростанции, которая может меняться в процессе реконструкции действующих генераторов или установки нового оборудования), выработка электроэнергии (как правило, их единичная электрическая мощность бывает от 500 до 1000 и более МВт) и потребление электроэнергии.

Энергетику принято делить на традиционную и нетрадиционную энергетику.

Традиционная энергетика

Традиционная энергетика в начале 21 в. – основной поставщик электроэнергии в мире.

Ее получают на электростанциях (ТЭС, АЭС, ГЭС).

Нетрадиционная энергетика

А к нетрадиционной энергетике относятся возобновляемые источники энергии, включающие преобразование энергии солнечной радиации, внутренней теплоты Земли, энергии ветра, приливов; мини-ГЭС и микроГЭС; технологии получения биотоплива; магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), а также нетрадиционные технологии использования традиционных невозобновляемых источников энергии (топлив) – производство синтетического жидкого топлива, водоугольного топлива, технологии по переработке вторичных твердых бытовых отходов, новые энергетические установки или преобразователи (в т. ч. с прямым преобразованием) разных видов энергии в электрическую и тепловую, управляемый термоядерный синтез и др.

Последние новости

Новости СМИ2

Произвольные записи из технической библиотеки

Используя данный сайт, вы даете согласие на использование файлов cookie, помогающих нам сделать его удобнее для вас. Подробнее.

Эффективность использования электрической энергии

%PDF-1.5
%
1 0 obj
>
endobj
5 0 obj
/Author
/Creator ()
/Subject
/Keywords (http://sjs.tpu.ru)
/Producer (PDF-XChange \(PDFTools4.exe v4.0.0186.0000\) \(Windows\))
>>
endobj
2 0 obj
>
endobj
3 0 obj
>
endobj
4 0 obj
>
stream

Коршунова Лидия Афанасьевна; Кузьмина Наталия Геннадьевна; Кузьмина Екатерина Владимировна

endstream
endobj
6 0 obj
>
/Annots [12 0 R 13 0 R]
/Parent 2 0 R
/Contents [14 0 R 15 0 R 16 0 R]
/MediaBox [0 0 595. 32 841.92]
/Resources >
/Pattern >
/ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI]
/ExtGState >
/XObject >
>>
/StructParents 115
>>
endobj
7 0 obj
>
/Parent 2 0 R
/Contents 31 0 R
/MediaBox [0 0 595.32 841.92]
/Resources >
/ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI]
>>
/StructParents 117
>>
endobj
8 0 obj
>
/Parent 2 0 R
/Contents 34 0 R
/MediaBox [0 0 595.32 841.92]
/Resources >
/ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI]
>>
/StructParents 118
>>
endobj
9 0 obj
>
/Parent 2 0 R
/Contents 36 0 R
/MediaBox [0 0 595.32 841.92]
/Resources >
/ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI]
>>
/StructParents 119
>>
endobj
10 0 obj
>
/Annots [39 0 R 40 0 R]
/Parent 2 0 R
/Contents 41 0 R
/MediaBox [0 0 595.32 841.92]
/Resources >
/ProcSet [/PDF /Text /ImageB /ImageC /ImageI]
>>
/StructParents 120
>>
endobj
11 0 obj
>
endobj
12 0 obj
>
endobj
13 0 obj
>
/F 4
/BS >
/Rect [356.84 643.17 462. |w7}~s9n~IlnZO&6m’6N4*

>7zo~~—VHOދ
ߨ)nul*WNɫ鮨Ezkd:7n`}rd}8ﶛciUMzngsS=ǵͳ0\ZK޴MDipU}S|yyK$]m73egЦK1:6

6*ukHOk»26]

Превращение тепла в электричество | Новости Массачусетского технологического института

Что, если бы ваш кондиционер работал не на обычном электричестве, а на солнечном тепле в теплый летний день? Благодаря достижениям в области термоэлектрических технологий это устойчивое решение может однажды стать реальностью.

Термоэлектрические устройства изготавливаются из материалов, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество без каких-либо движущихся частей — качество, которое делает термоэлектрики потенциально привлекательным источником электричества. Это явление обратимо: если к термоэлектрическому устройству подать электричество, оно может создать разницу температур. Сегодня термоэлектрические устройства используются для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как питание небольших датчиков вдоль нефтепроводов, резервные батареи на космических зондах и охлаждение мини-холодильников.

Но ученые надеются разработать более мощные термоэлектрические устройства, которые будут улавливать тепло, производимое в качестве побочного продукта промышленных процессов и двигателей внутреннего сгорания, и превращать это тепло впустую в электричество. Однако эффективность термоэлектрических устройств или количество энергии, которое они могут производить, в настоящее время ограничены.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили способ увеличить эту эффективность в три раза, используя «топологические» материалы, обладающие уникальными электронными свойствами. В то время как в предыдущих работах предполагалось, что топологические материалы могут служить эффективными термоэлектрическими системами, было мало понимания того, как электроны в таких топологических материалах будут перемещаться в ответ на разницу температур, чтобы вызвать термоэлектрический эффект.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , исследователи Массачусетского технологического института определяют основное свойство, которое делает некоторые топологические материалы потенциально более эффективными термоэлектрическими материалами по сравнению с существующими устройствами.

«Мы обнаружили, что можем раздвинуть границы этого наноструктурного материала таким образом, что топологические материалы станут хорошим термоэлектрическим материалом, в большей степени, чем обычные полупроводники, такие как кремний», — говорит Те-Хуан Лю, постдоктор кафедры механики Массачусетского технологического института. Инжиниринг. «В конце концов, это может быть способ чистой энергии, который поможет нам использовать источник тепла для выработки электроэнергии, что уменьшит выброс углекислого газа».

Лю является первым автором статьи PNAS , в которой участвуют аспиранты Цзявэй Чжоу, Чживэй Дин и Цичень Сун; Мингда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники; бывший аспирант Болин Ляо, ныне доцент Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Лян Фу, адъюнкт-профессор физики Биденхарна; и Ган Чен, профессор Содерберга и заведующий кафедрой машиностроения.

Свободно пройденный путь

Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию градиента температуры, например, один конец нагревается, а другой охлаждается, электроны в этом материале начинают течь от горячего конца к холодному, генерируя электрический ток. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и тем больше вырабатывается энергии. Количество энергии, которое может быть генерировано, зависит от конкретных транспортных свойств электронов в данном материале.

Ученые заметили, что некоторые топологические материалы могут быть превращены в эффективные термоэлектрические устройства с помощью наноструктурирования — метода, который ученые используют для синтеза материала путем формирования его характеристик в масштабе нанометров. Ученые считают, что термоэлектрическое преимущество топологических материалов связано с пониженной теплопроводностью их наноструктур. Но неясно, как это повышение эффективности связано с присущими материалу топологическими свойствами.

Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Лю и его коллеги изучили термоэлектрические характеристики теллурида олова, топологического материала, который, как известно, является хорошим термоэлектрическим материалом. Электроны в теллуриде олова также обладают особыми свойствами, которые имитируют класс топологических материалов, известных как материалы Дирака.

Исследовательская группа стремилась понять влияние наноструктурирования на термоэлектрические характеристики теллурида олова, моделируя движение электронов через материал. Чтобы охарактеризовать перенос электронов, ученые часто используют измерение, называемое «средний свободный пробег», или среднее расстояние, которое электрон с данной энергией мог бы свободно пройти в материале, прежде чем он был бы рассеян различными объектами или дефектами в этом материале.

Наноструктурированные материалы напоминают лоскутное одеяло из крошечных кристаллов, каждый из которых имеет границы, известные как границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого. Когда электроны сталкиваются с этими границами, они имеют тенденцию рассеиваться различными путями. Электроны с длинной длиной свободного пробега будут сильно рассеиваться, как пули, рикошетящие от стены, в то время как электроны с более короткой длиной свободного пробега подвержены гораздо меньшему воздействию.

В ходе моделирования исследователи обнаружили, что характеристики электронов теллурида олова оказывают значительное влияние на их длину свободного пробега. Они нанесли на график диапазон энергий электронов теллурида олова в зависимости от соответствующей длины свободного пробега и обнаружили, что полученный график сильно отличается от графиков для большинства обычных полупроводников. В частности, для теллурида олова и, возможно, других топологических материалов результаты показывают, что электроны с более высокой энергией имеют более короткую длину свободного пробега, в то время как электроны с более низкой энергией обычно имеют более длинную длину свободного пробега.

Затем команда изучила, как эти свойства электронов влияют на термоэлектрические характеристики теллурида олова, по существу суммируя термоэлектрические вклады электронов с разными энергиями и длинами свободного пробега. Оказывается, способность материала проводить электричество или генерировать поток электронов в условиях температурного градиента во многом зависит от энергии электронов.

В частности, они обнаружили, что электроны с более низкой энергией имеют тенденцию оказывать негативное влияние на генерацию разности потенциалов и, следовательно, электрического тока. Эти низкоэнергетические электроны также имеют большую длину свободного пробега, а это означает, что они могут рассеиваться границами зерен более интенсивно, чем электроны с более высокой энергией.

Уменьшение размера

Сделав еще один шаг вперед в своих симуляциях, команда экспериментировала с размером отдельных зерен теллурида олова, чтобы увидеть, влияет ли это на поток электронов при температурном градиенте. Они обнаружили, что когда они уменьшали диаметр среднего зерна примерно до 10 нанометров, сближая его границы, они наблюдали повышенный вклад электронов с более высокой энергией.

То есть при меньших размерах зерен электроны с более высокой энергией вносят гораздо больший вклад в электрическую проводимость материала, чем электроны с более низкой энергией, поскольку они имеют более короткую длину свободного пробега и с меньшей вероятностью рассеиваются на границах зерен. Это приводит к большей разности напряжений, которая может быть сгенерирована.

Более того, исследователи обнаружили, что уменьшение среднего размера зерен теллурида олова примерно до 10 нанометров дает в три раза больше электричества, чем материал, произведенный с более крупными зернами.

Лю говорит, что, хотя результаты основаны на моделировании, исследователи могут добиться аналогичных результатов, синтезируя теллурид олова и другие топологические материалы и регулируя размер их зерна с помощью метода наноструктурирования. Другие исследователи предположили, что уменьшение размера зерна материала может повысить его термоэлектрические характеристики, но Лю говорит, что они в основном предполагали, что идеальный размер должен быть намного больше 10 нанометров.

«В ходе нашего моделирования мы обнаружили, что можем уменьшить размер зерна топологического материала намного больше, чем считалось ранее, и на основе этой концепции мы можем повысить его эффективность», — говорит Лю.

Теллурид олова — всего лишь один пример многих топологических материалов, которые еще предстоит изучить. Лю говорит, что если исследователи смогут определить идеальный размер зерна для каждого из этих материалов, топологические материалы вскоре могут стать жизнеспособной и более эффективной альтернативой производству чистой энергии.

«Я думаю, что топологические материалы очень хороши для термоэлектрических материалов, и наши результаты показывают, что это очень многообещающий материал для будущих приложений», — говорит Лю.

Это исследование было частично поддержано Твердотельным центром преобразования солнечной тепловой энергии, Центром передовых исследований в области энергетики Министерства энергетики США; и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).

Поделитесь этой новостной статьей:

Упоминания в прессе

Boston Globe

Исследователи Массачусетского технологического института усовершенствовали аккумуляторы с жидким натрием, потенциально проложив путь к использованию аккумуляторов для хранения возобновляемой энергии, сообщает Laney Ruckstuhl для Бостон глобус . «В отличие от литий-ионных аккумуляторов, используемых в мобильных телефонах и ноутбуках, аккумуляторы с жидким натрием не потеряют свою емкость быстро».

Полная история через Boston Globe →

Связанные ссылки

• Gang Chen
• Liang Fu
• Mingda Li
• Отдел машиностроения

.

• Школа наук

Новый материал побил мировой рекорд по превращению тепла в электричество

Профессор Эрнст Бауэр в лаборатории. 1 кредит

Новый тип материала очень эффективно генерирует электрический ток за счет разницы температур. Это позволяет датчикам и небольшим процессорам снабжать себя энергией без проводов.

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электрическую энергию. Это происходит из-за так называемого эффекта Зеебека: если есть разница температур между двумя концами такого материала, может генерироваться электрическое напряжение и может начать течь ток. Количество электрической энергии, которое может быть выработано при данной разности температур, измеряется так называемым значением ZT: чем выше значение ZT материала, тем лучше его термоэлектрические свойства.

Лучшие на сегодняшний день термоэлектрики были измерены при значениях ZT от 2,5 до 2,8. Ученым из TU Wien (Вена) удалось разработать совершенно новый материал со значением ZT от 5 до 6. Это тонкий слой железа, ванадия, вольфрама и алюминия, нанесенный на кристалл кремния.

Новый материал настолько эффективен, что его можно использовать для обеспечения энергией сенсоров или даже небольших компьютерных процессоров. Вместо того, чтобы подключать небольшие электрические устройства к кабелям, они могли бы генерировать собственное электричество за счет разницы температур. Новый материал теперь представлен в журнале Природа .

Электричество и температура

«Хороший термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека и отвечать двум важным требованиям, которые трудно согласовать друг с другом», — говорит профессор Эрнст Бауэр из Института физики твердого тела при ТУ. Вена. «С одной стороны, он должен как можно лучше проводить электричество, с другой стороны, он должен как можно хуже проводить тепло. Это сложная задача, потому что электропроводность и теплопроводность обычно тесно связаны».

В Христианской доплеровской лаборатории термоэлектричества, созданной Эрнстом Бауэром в Техническом университете Вены в 2013 году, в течение последних нескольких лет изучались различные термоэлектрические материалы для различных применений. Это исследование привело к открытию особенно замечательного материала — комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

«Атомы в этом материале обычно располагаются строго по регулярной схеме в так называемой гранецентрированной кубической решетке», — говорит Эрнст Бауэр. «Расстояние между двумя атомами железа всегда одинаково, и то же самое верно для других типов атомов. Таким образом, весь кристалл полностью правильный».

Однако при нанесении тонкого слоя материала на кремний происходит нечто удивительное: структура радикально меняется. Хотя атомы по-прежнему образуют кубическую структуру, теперь они располагаются в пространственно-центрированной структуре, и распределение различных типов атомов становится совершенно случайным. «Два атома железа могут располагаться рядом друг с другом, места рядом с ними могут быть заняты ванадием или алюминием, и больше не существует какого-либо правила, определяющего, где в кристалле должен находиться следующий атом железа», — объясняет Бауэр.

Эта смесь регулярности и неправильности расположения атомов также изменяет электронную структуру, которая определяет движение электронов в твердом теле. «Электрический заряд проходит через материал особым образом, так что он защищен от процессов рассеяния. Части заряда, проходящие через материал, называются фермионами Вейля», — говорит Эрнст Бауэр. Таким образом достигается очень низкое электрическое сопротивление.

Колебания решетки, с другой стороны, которые переносят тепло из мест с высокой температурой в места с низкой температурой, подавляются неоднородностями кристаллической структуры. Следовательно, теплопроводность снижается. Это важно, если электрическая энергия должна постоянно генерироваться из разницы температур, потому что, если бы разница температур могла очень быстро уравновешиваться и весь материал вскоре имел бы везде одинаковую температуру, термоэлектрический эффект остановился бы.

Электричество для Интернета вещей

«Конечно, такой тонкий слой не может генерировать особенно большое количество энергии, но его преимущество заключается в том, что он чрезвычайно компактен и легко адаптируется», — говорит Эрнст Бауэр. «Мы хотим использовать его для обеспечения энергией датчиков и небольших электронных приложений». Спрос на такие небольшие генераторы быстро растет: в «Интернете вещей» все больше и больше устройств связаны друг с другом онлайн, чтобы они автоматически координировали свое поведение друг с другом. Это особенно перспективно для будущих производственных предприятий, где одна машина должна динамично реагировать на другую.

«Если вам нужно большое количество датчиков на заводе, вы не можете соединить их все вместе.