2. Energia i jej postacie

ENERGIA-zasób pracy, zmagazynowany w danym ciele lub układzie ciał, który może być zwiększony lub zmniejszony. Wartość energii nie jest stała i charakterystyczna dla danego ciała, lecz zależ od jego stanu.

a)En.elektryczna-energia związana z ładun-kami elektrycznymi (jonami, elektronami). Pod pojęciem en. elektrycznej rozumie się zarówno en. elektrostatyczną związaną z ładunkami nieruchomymi, jak i elektrody-namiczną - ładunki ruchome.

b)En.mechaniczna-związana jest z najprost-szą formą ruchu materii,tj ruchem mecha-nicznym ciał, a więc zachodzącymi w czasie zminami położenia rozważanego ciała (kinetyczna) i z samym położeniem tego ciała względem innych (potencjalna):

c)En.promienista-jest energią przenoszoną przez zmienne pole elektromagnetyczne. En.promienistą jest en światła widzialnego, promieniowania cieplnego,fal radiowych,itp

d)En.cieplna-jest pojęciem makroskopo-wym odnoszącym do układu złożonego z olbrzymiej liczby cząstek, atomów i jest energią związaną z chaotycznym ruchem cząstek układu. E=I=mi i-entalpia

e)En.chemiczna-stanowi energię wiązania związków chemicznych. Jest ona uwarun-kowana wzajemnym oddziaływaniem atomów lub jonów w cząsteczce. W wyniku reakcji en.chemiczna może się wydzielać w różnych postaciach

f)En.jądrowa-stanowi energię wiązania nu-kleonów w jądrze atomowym i jest warun-kowana oddziaływaniem nukleonów.

W/w typy energii mogą się przemieniać w inne.

3. Zasoby energii i klasyfikacja jej przet-worników

Zasoby energii na Ziemi są oceniane orien-tacyjnie,gdyż nie można dokładnie określić energii promieniowania Słońca docierającej do Ziemi oraz energii wiatrów.

Światowe zasoby energii można podzielić na dwa rodzaje ze względu na źródła en.:

1)Źródła nieregenerowane:

-en chemiczna substancji polnej: węgiel, torf, ropa naftowa, gaz ziemny,

-en jądrowa

-en geotermiczna

2)Źródła regenerowane:en słoneczna, wietrzna, wód

----------------------------------------------------

Przetworniki energii dzieli się na:

-proste - jeden rodzaj energii przekształca się bezpośrednio na drugi

-złożone - dwa lub więcej przekształcenia

Proste przetworniki energii ze względu na rodzaj wytwarzanej energii użytecznej dzielimy na trzy zasadnicze grupy:

I.Przetworniki ciepła:

a)chemiczne - piece,kotły,komory spalania

b)jądrowe - termojądrowe - reaktory

c)świetlne - piece słoneczne, kotły

d)elektryczne - piece elektryczne

e)mechaniczne - rury uderzeniowe

II.Przetworniki energii elektrycznej:

a)chemiczne - ogniwa galwaniczne

b)jądrowe - baterie jądrowe, reaktory

c)cieplne - termoelektryczne i termoemi-syjne generatory energii elektrycznej

d)świetlne - fotoelementy

e)mechaniczne - zwykłe,wirnikowe genera-tory energii elektrycznej

III.Przetworniki en mechanicznej-silniki:

a)chemiczne-silniki pracujące dzięki energii chemicznej paliwa są w istocie silnikami cieplnymi

b)jądrowe-wykorzystujące w celu wytwo-rzenia siły odrzutu energię kinetyczną produktów rozszczepienia jąder bez przek-ształcania jej w ciepło

c)cieplne-urządzenia działające na zasadzie rozprężania:tłokowe i przepływowe

d)elektryczne-silniki elektryczne wirujące i liniowe

e)termoelektromagnetyczne-silniki elektrorakietowe

f)świetlne-żagiel słoneczny,fotonowe silni-ki rakietowe

I.SPADKI NAPIĘĆ NA LINIACH

1.Prądy I₁,I₂,... (pojemnościowe ze znakiem `+')

2.Prądy między punktami I₁₂,...

3.Długości linii na jeden przekrój: l₁₂'=l₁₂ (s'/s₁₂)

4.Spadki napięć:; Poprzeczne straty napięcia: ΔU_1k^b

Potem liczymy moduł |ΔU_1k|

5.Napięcie na końcach: U_k=U₁-|ΔU_1k|

6.Moduły prądów:

7.Straty mocy: Obiór 3fazowy: ΔP₁₂=3I₁₂²R₁₂; Obiór 1fazowy: ΔP₁₂=I²(2l/γs)

Potem je sumujemy i mamy ogólne straty mocy

2.ZWARCIA

Generator: ; Transformator: ; X_g¹⁰=X_g⁶(10/6)²

-prąd początkowy; i_u= 2 k_u I_p - prąd udarowy k_u=1.8

3.KOTŁY 1bar=10⁵Pa

i_sk=4.19⋅t_nas dla 0.06bar t_nas=36^oC

;

4.PRZEMIANY

Równanie Clapeyrona: pV=mRT R= R_μ/μ R_μ=8.315 [kJ/kmolK]

pV=nR_μT

Q₁₂=mc(T₂-T₁); c­_p-c_v=R

Energia wew.: ΔU=mc_vΔT

Entalpia I=U+pV

Praca zew Praca techniczna:

Q₁₂=ΔU+L_zew

Q₁₂=ΔI+L_techz

7,7 Możliwości wykorzystania energii termojądrowej

Reakcje syntezy lekkich jąder mogą zachodzić na dużą skalę tylko w b.wys. temperaturach,(setki mln. stopni).W takich temperaturach substancje znajdują się w stanie elektron-jądr. Plazmy. W wyniku intensywnego ruchu jąder dochodzi do zderzeń -może zajść synteza. Reakcji syntezy towarzyszy wydzielanie się energii, plazma nagrzewa się przy tym jeszcze bardziej i prędkość reakcji wzrasta.
Podstawowy problem przy prowadzeniu syntezy jądr. to uzyskanie plazmy o b. wys. temperaturze,odpowiedniej gęstości i utrzymanie jej tak długo,az wyzwolona energia będzie większa od doprowadzonej(bilans energii dodatni) i będzie w stanie dalej podtrzymywać przebieg reakcji.
Najważniejsze reakcje termojądrowe:

Zużycie energii elektr. i cieplnej pozwala już dzisiaj na techniczne i ekonomicznie uzasadnione wdrażanie do przemysłów energetycznych poszczególnych krajów elektrowni jądr, opartych na wypróbowanych typach energetycznych reakt. jądr. obecnie budowane elektrownie jądr.

ZALETY:

• możliwości lokalizowania niezależnie od miejsc wydobycia paliwa

• zmniejszonym zapotrzebowaniem powierzchni potrzebnej na zainstalowanie jednostki mocy

• możliwością obniżenia jednostkowych kosztów wytwarzania. energii elektr., gdyż charakteryzują się one stałą tendencją zniżkową.

• brak zanieczyszczenia atmosfery, która towarzyszy elekrt konwencjonalnym

• odciążeniem kolejnictwa od transportu paliw

• duża pewność pracy- prawdopodobieństwo awarii reaktora jest b.małe

GŁÓWNE WADY:

• wyższe nakłady inwestycyjne

• niższe parametry technologiczne

• większe zapotrzebowanie wody chłodzącej

• problem składowania odpadów radioaktywnych

Chociaż określenie wielkości i tempa rozwoju energetyki jądrowej nie jest sprawą prostą i opracowanie prognozy różnią się między sobą, niemniej jednak wszystkie wskazują na szybki rozwój energetyki jądr. według prognozy Międzynarodowej Agencji Energetyki Atomowej w 2000 rok łączna moc elektrowni jądrowych wyniesie ok. 40% ogólnej mocy zainstalowanych generatorów.

1. Wielkości podstawowe w termoenergetyce

Energia: zdolność do wykonywania określonej pracy, rozróżniamy energię mechaniczną, cieplną, chemiczną, elektryczną, jądrową itp., wyraża się w dżulach [J]

Ciepło: postać energii, która może być przekazywana przy zaistnieniu różnicy temperatur.

Temperatura: miara stopnia nagrzania; jeden z przejawów stanu cieplnego ciała. Temperatura bezwzględna wyrażona w kelwinach [K].

Ciśnienie: stosunek siły działającej na określoną powierzchnię do pola tej powierzchni. Jednostką ciśnienia jest paskal [Pa]

Entalpia: energia cieplna (wyrażona w kaloriach lub dżulach na kilogram), jaką posiada 1kg substancji (gazu, pary) w określonych warunkach ciśnienia, objętości, temperatury.

Entropia: pojemność cieplna ciała charakteryzująca się stosunkiem ilości ciepła, które ciało posiada, do temperatury bezwzględnej ciała (jednostka J/(kg*K)).

4.2 Równoważność ciepła i energii

Ciepło doprowadzone do układu termodynamicznego powoduje wzrost energii wewnętrznej czynnika oraz wykonanie przez ten czynnik pracy bezwzględnej.

dQ=dU+dA

dla 1 kg masy czynnika:

dq=du+da

Po scałkowaniu otrzymuje się:

q_1-2=u₂-u₁+a_1-2

Oba te wzory są wyrazem I zasady termodynamiki

Ciepło doprowadzone do czynnika roboczego jest funkcjonałem przemiany 1-2 i wyraża się wzorem:

Przyrost energii wewnętrznej, będącej parametrem stanu:

4.3 Pierwsza zasada termodynamiki

I.- Ciepło doprowadzone do układu jest równe sumie przyrostu energii wewnętrznej układu oraz pracy bezwzględnej wykonanej przez układ:

dQ=dU+dA

dla 1 kg masy czynnika:

dq=du+da

Po scałkowaniu otrzymuje się:

q_1-2=u₂-u₁+a_1-2

II- Ciepło doprowadzone do układu jest równe sumie przyrostu entalpii układu oraz pracy technicznej wykonanej przez układ:

i=u+pv

di=du+pdv+vdp

du=di-pdv-vdp

po podstawieniu do wzoru na I zasadę termodynamiki:

dq=di-vdp

dq=di+da_t

Po scałkowaniu:

q_1-2=i₂-i₁+a_t1-2

10.1 Dobowy wykres obciążenia elektrowni

Elektrownie podstawowe pracują ze stałą mocą, pokrywając stałą część obciążenia podstawowego. Aby uniknąć braków w dostawie energii stosuje się wyrównanie dobowe. Występujące w godzinach wieczornych szczytowe zapotrzebowanie na energię pokrywają elektrownie szczytowo-pompowe, które ponadto spełniają funkcje regulacyjne i interwencyjne w systemie.

9.4 Ogniwa paliwowe.

O.p. są bezpośrednimi przetwornikami energii chemicznej na elektryczną według prostego łańcucha przemian energetycznych:

„energia chem. Energia elektryczna” bez pośrednictwa energii cieplnej. I dlatego ogniwa paliwowe ch-zują się wysoką spraw- nością procesu przetwarzania energii. W ogniwach paliwowych wykorzystuje się energię reakcji elektrochemicznych zwanych reakcjami redukcji, podczas których następuje samorzutne przemieszczanie się elektronów między reagującymi ze sobą substancjami. Tego typu reakcje mogą zachodzić w niskich tempera turach i z tego też powodu bywają nazywane „zimnym spalaniem”. Ogniwa paliwowe mają zalety: wysoka sprawność, trwałość, cicha praca, brak produktów zanieczyszczających środowisko. Wady: małe moce jednostkowe, niskie napięcia, wysoki koszt, konieczność używania bardzo czystych i drogich paliw. Schemat typowego ogniwa paliwowego:

1-elektrolit,2-oddzielacz wody,3-chłodnica,4- pompa,5-elektrody.

Są różne rodzaje ogniw paliwowych zasilanych węglem i węglowodorami. Ogniwa te znalazły zastosowanie nie tylko w energetyce, lecz także w astronomii.

1. Generatory magnetogazodynamiczne i magnetohydrodynamiczne.

Wiadomo, że warunkiem powstania siły elektromotorycznej w konwencjonalnym generatorze jest ruch przewodnika w polu magnetycznym. Indukowana wówczas w przewodniku SEM jest proporcjonalna do indukcji magnetycznej, długości przewodnika i długości jego ruchu E=Blv. W generatorach MHD w miejsce wirującego przewodnika metalowego używa się gazu dobrze przewodzącego prąd elektr.; tzw. Plazm. Powodując przepływ plazmy w odpowiednim kanale i poddając ją działaniu pola magn., otrzymuje się zasadniczy element generatora tzw kanał MHD nie wymagający do swej pracy ani wału, ani łożysk, ani innych ruchomych zużywających się części. Jeżeli plazma przepływa ze średnią prędkością, a jednorodne pole o ind. B działa prostopadle do tego kierunku, wtedy indukuje się pole elektr prostopadłe do B oraz kierunku ruchu. Pod wpływem tego pola popłynie

prąd elektr. o gęstości j=
, gdzie
przewodność plazmy.

Układ cieplny elektr. MHD.

1-komora spalania, 2-kanał,3-wymiennik ciepła,

4-turbina parowa, 5- separator posiewu, 6-układ kontroli,7- komin.

5. Generatory fotoelektryczne.

G.f. (fotoogniwo) jest przetwornikiem, w którym przy wykorzystaniu efektu fotoelektrycznego zachodzi bezpośrednia przemiana energii promie- niowania elektromagnetycznego w energię elektr. Fotoogniwo składa się z warstwy półprzewodnika krzemowego typu n oraz naniesionej na nią warstwy typu p. Do obu warstw przylegają elektrody.

Jeżeli na złącze p.-n z poszerzonym pasmem zaporowym pada strumień kwantów to wytwarza on w nim elektrony i dziury, które zostają rozdzielone polem warstwy zaporowej. Dziury płyną w kierunku obszaru p., gdzie rekombinują z nośnikami ładunku dopływającego z baterii, natomiast elektrony płyną w kierunku obszaru n. Prąd płynący w obwodzie diody jest prądem elektronowym wywołanym promieniowaniem świetlnym.

Schemat zastępczy generatora fotoelektrycznego.

Zalety: duża sprawność przemiany, prosta konstrukcja, nieograniczony czas pracy, praca bezobsługowa. Wady: wysoki koszt, praca przy istnieniu światła.

2. Generatory termoelektryczne.

G.t. jest urządzeniem, w którym zjawiska termoel. (powstawanie siły termoel.) wykorzys- tywane są do bezpośredniej przemiany energii cieplnej w energię elektr. Może on być traktowany jako urządz. Pracujące w oparciu o zamknięty obieg termodynamiczny, w którym czynnikiem roboczym jest strumień elektronów. Podstawową częścią generatora jest termoelement utworzony z pary różnych przewodników lub półprzewodników(n-p.), których temp. T₁-gorącego i T₂-zimnego źródła są różne.

Q₁-ciepło dostarcz., Q₂-ciepło odprow., R₂-odb.

T₁>T₂

Powstanie prądu I związane jest zależnościami między procesami cieplnymi i elektrycznymi w przewodnikach. Dwie kolumny n i p. połączone są ze sobą od strony gorącej za pomocą płytki zbierającej prąd. Strona ta jest ogrzewana ze źródła ciepła , drugie końce są chłodzone i do nich dołączony jest obwód elektryczny zewn. odbierający wytworzoną energię elektryczną. Sprawność tego typu generatorów określa się jako stosunek mocy elektrycznej odprowadzonej do obwodu zewn. do mocy cieplnej dostarczonej do ogniwa:

-sprawność Carnota.

m_w= spr. generatora termoel. do spr. obiegu Carnota spowodowanej nieodwracalnością strat.

3. Generator termoemisji.

G.t. nazywany termojonowym jest urządzeniem, w którym energia cieplna jest bezpośrednio przekształcana w energię elektr. przy wykorzystaniu zjawiska termoemisji (wyzwalania się elektronów z gorącej powierzchni).

3. katoda, 2-anoda,3-izolator,4- przestrzeń między elektrodowa

Z gorącej powierzchni katody emitowane są termicznie elektrony, które po przejściu przestrzeni międzyelektrodowej padają na metalową, chłodzoną anodę(2). Obwód elektr. zamknięty jest zewnętrznym odbiornikiem R. Elektrony wyzwalane z katody unoszą ze sobą energię(pracę wyjścia). Część tej energii, równą pracy wyjścia z materiału anody oddają na anodzie w postaci energii cieplnej Q₂ traconej do otoczenia. Pozostała część zostaje przetworzona na energię elektr. i oddana w zewnętrznym obwodzie elektr. Nie wszystkie elektrony docierają do anody, część z nich po przebyciu niewielkiej odległości od pow. emitera wraca do niej w wyniku przyciągania elektrostatycznego.

P.-moc elektryczna odprowadzona, Q_k- strumień ciepła doprowadzony do katody.

ogniwo

H₂O

H₂

O₂

3

5

1

4

2

-

+

1

2

3

4

5

6

7

elektrody

+

-

p

n

~

R₂

I

I_d

I_p

~

R₂

I

I_d

I_p

~

R₂

I

I_d

I_p

~

R₂

I

I_d

I_p

~

R₂

I

I_d

I_p

~

R₂

I

I_d

I_p

~

R₂

I

I_d

I_p

~

R₂

I

I_d

I_p

Q₁

p

n

T₁

Q₂

Q₂

T₂

+ R -

I

Q₁

Q₂

3

4

R₂

I

--

+

2

1

---