1.3 — Энергия

Перспективные технологии буферизации в альтернативной энергетике

1.3 - Энергия
Внутреннее строение ВЭУ. Картина из интернета

Самым проблемным (узким) местом в альтернативной энергетике является  буферизация. То есть, затраты ресурсов на выравнивание и аккумулирование энергии. Согласно исследованию, буферизация — неотъемлемая часть любой электростанции. 

В современном мире самый эффективный способ буферизации по всем энергоэкономическим показателям  — это гидроаккумулирующие электростанции. Я упоминал ГАЭС в статье про свой проект.  

Но, обо всём по порядку. 

Электрохимические источники. 

Аккумуляторы Powerwall. Картина из интернета

Наиболее удачными в промышленной буферизации можно считать аккумуляторы Powerwall.

Но, как и все электрохимические аккумуляторы, они не «вечные». 

Исходя из условий эксплуатации, потеря мощности доходит до 10% за 2 года, и раз в 6–8 лет они подлежат полной замене.

Да, они могут сохранить рабочее состояние в течение 10 лет, но утрата 1/3 мощности от изначальной является недопустимой в промышленной буферизации.

Потому промышленная буферизация энергии, основанная на литий-ионных аккумуляторах, или других современных электрохимических источниках энергии, будет существенно дороже, чем само производство электроэнергии.

 Однако, это второй по эффективности после ГАЭС способ аккумулирования электроэнергии, реально применяемый в промышленности.

Гравитационные накопители энергии. 

Проектируема гравитационная башня. Источник — .

На сегодняшней момент являются экспериментальными. Вся суть в том, чтобы запасать электрическую энергию с помощью поднятия грузов на высоту.

Принцип работы таков: при излишках энергии, мотор-генераторы начинают поднимать груз, тем самым переводя электрическую энергию в потенциальную. Потенциальная энергия груза хранится на высоте, пока не понадобится для использования.

Груз опускается вниз, раскручивая генераторы, а они вырабатывают электрическую энергию.

Идея простая, но сложнореализуемая, так как нужно сконструировать совершенную с инженерной точки зрения установку, где был бы найден компромисс между мощностью, стоимостью, и эффективностью данного накопителя энергии. 

Проектов существует большое количество, начиная от вагонеток, которые катятся по рельсам, заканчивая различными экспериментами с жидкими рабочими телами. 

Плюсы подобного метода буферизации – простота конструкции, а значит надёжность всего комплекса и, как следствие, «дешевизна» подобной конструкции. 

Минусов достаточно: 

1. Удельная энергоёмкость, то есть мощность, которую может накопить в себе подобная конструкция, очень маленькая.  Существует наглядный пример: чтобы вскипятить воду в литровом чайнике, нужно запасти столько энергии, сколько выработается при падении груза массой в 1 тонну с 35 метров! 

2. Энергия грузов, не может высвободиться в короткий промежуток времени — свободное падение тел накладывает физические ограничения.

На Земле тело не может свободно ускоряться (то есть увеличивать свою кинетическую энергию) быстрее, чем 9,8 м/с².

Это прирост энергии менее 10 Джоулей на каждый килограмм массы тела, пролетевшего 1 метр пути, и это без учёта естественного сопротивления самого генератора и воздуха. 

Однако, согласно расчётам и заявлениям компании «Energy Vault» , которые строят уже промышленную гравитационную экспериментальную станцию, КПД будет 85%, а общая эффективность в 5 раз превзойдёт эффективность лучших промышленных аккумуляторов.

Невзирая на все недостатки, этот проект действительно может существенно сократить затраты на буферизацию альтернативных источников энергии. 

Воздух.

Газотурбинная пневматическая электростанция. США 1991 год.

Сжимая воздух фактически до жидкого состояния, можно затем (при его расширении) получить высокую мощность.

По расчёту, сжимая 1 кубометр воздуха в 500 раз, запасается около 50 кДж энергии. 1 Кубометр воздуха весит 1 килограмм. Требуется сжать 7 кубометра воздуха, чтобы вскипятить литровый чайник.

Это уже лучше, чем поднимать груз в 1 тонну на высоту 35 метров. 

Эта идея известна давно, даже разработан транспорт на сжатом воздухе. Но почему она до сих пор промышленно не реализована? Дело в КПД пневматического аккумулятора.

Почти половина энергии переходит в тепло, тем самым снижая КПД до 40%.

Есть теоретически изыскания на проблему повышения КПД до 80%, однако за 15 лет подобных рассуждений и заявлений, не представлено ни одного действующего прототипа, а только отдельные агрегаты.

Современный реальный пневматический аккумулятор – слишком малоэффективный.

Остальные технологии промышленного хранения энергии (криогенные, или термические, аккумуляторы) дальше чертежей и лабораторных испытаний так и не продвинулись. 

Кинетические аккумуляторы. 

20 Мегаваттная станция состоящая из 200 маховиков. Городе Хейзл, штат Пенсильвания, 2014 год.

Маховик накапливает энергию, вращаясь. А замедляясь, отдаёт энергию. В теории маховик, изготовленный из карбона, способен накопить до 1.8 МДж энергии на 1 килограмм массы. Это в 7 раз больше энергии, чем в аккумуляторах Powerwall.

Однако, теория расходится с реальностью. Эксперименты с маковичными накопителями энергии идут уже более 50 лет. Созданы промышленные образцы, выявлены характеристики.

Маховики — наиболее проработанный тип промышленный аккумуляторов будущего, и требует написание отдельной статьи. 

Перспективных технологий по накоплению энергии довольно много. Даже есть проекты плазменных аккумуляторов.

Но реально есть 5 технологий, которые можно промышленно освоить в настоящее время.

1.ГАЭС.

2.Гравитационная башня. 

3.Литий-ионные аккумуляторы, и их разновидности.  

4.Сжатый воздух.

5.Маховики. 

Из них наиболее перспективным источником  для альтернативной энергетики считается гравитационная башня. 

Допустим, гравитационная башня окажется успешной реализацией буферизации для альтернативной энергетики. Как она повлияет на общий EROEl? Об этом в следующей статье

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5d87bc6b43863f00aea92fc1/5de21f56e4f39f00b2d62ed0

�.�. ���������

1.3 - Энергия
      ������ ���� ��������� ���� �������� ������� ���������� ��������. ������� ������� ������������ ��� ������������� ��� ������� � ����� ������ ��������� � ��� �������������� � ������������ ����������� ��������.

��� ����������� ����������� ��� ��������������� ��� ������� ����� �����, ��� � � �������� �� ��������� � ������� ������.       �������� �������� ������������ ��������� �������. ������� ������ ���� �������� ��������, ���������� ����� ��� ��������.

��� �������������� �������������� ����������� ��������� ���� ��������, ��������� � ������, �������� ��������������� �� ���� ��� ����� ������� � ������������, ����������, ���������������� � ������.

      �������� ��������� ��������� ������������� �������� ����, �, �������������, � ��� �������, �������� �������������� ���� � ������� ������. ��� �������������� ����������� ���� ��� �� ��������������� ���� � �������� ������� ������� ����. ������� ����� ��������, ��� ��������� �������� � ������� ���������� ������.

������� ��������� ������� ���� ��� ��������� ���� ���������� ��������� ��������� ������, � ���������� ������� ���� � ���� �������� ���������� �������, ����������� �����. ���� ����������, ��� ����, ����������� � ����, ��������� ������ ������ �����, ���� ���� ��� ���� ������������.

      �� ����� ������ ������� ����� ��������, ��� ��� ������������� �������������� �������� ���� ������, ����������� ���������� ����� F, ��� ������, ��� ������ ������������ ���� , ����������� � ���������� � ��� ������ ���� s, ���������� ����� �� ����� �������� ����:

                                                                             (3.1)

      � ����� ������ ���� ����� ���������� ��� �� ��������, ��� � �� �����������, ������� ������� (3.1) �������� ���� ����� �� ������� �������. ������ ���� ������������� ���������� ����� �����������, �� �������� ������������ ����� ����� ������� �������������, � ���� � ����������. ������� ������������ ������, ����������� ����� F �� ����������� dr �����:

                                               (3.1')

      ������, ����������� ����� F �� �������� ���� s (���� 1-2 �� ���. 3.2), ����� �������������� ����� ������������ ����� �� ��������� ���������� ����� ��������:

                                                        (3.2)

      ��� ���������� ����� ��������� ���� ����� ����������� Fτ=∫(s). ��������, ��� ������, ����������� ����� F �� ���� 0-s, �������� ���������� ��������, �������������� �� ���. 3.3. ���� ���� F �� ������� �� s (Fτ=const), �� A = Fss.       �� ��������� (3.1') �������, ��� ����, ����������� �� ����, �� ��������� ������, ����:

      �) ���� �������� (ds=0);

      �) ���� ��������������� � ����������� ����������� ���� (α=90°, =0).
      ���� ���� α < 90°, �� ������ ���� F ������������ (������������ ��������� �� ����������� � �������� �������� v), ������� � ������ ������ ���� F �������� �������� �����. ���� ���� α > 90°, �� ������ ���� F ������������ (v �������������� �� �����������) � ���� F �������� ����� ������������� (��������, ���� ������).
      ������� ������ � ������ (��): 1 �� � ��� ������, ����������� ����� � 1 � �� ���� � 1 �:

1 �� = 1 �*�.

      ���� �� ����, ���������� �������������, ������������ ��������� ��������� ��� (���. 3.4), �� ������ ���������������� ���� ����� �������������� ����� ����� ������������ ���:
      ���� ������, ����������� ����� F ��� ����������� ����� �� ������ ������������� ��������� 1 � ������ ������������ ��������� 2 (���. 3.5), �� ������� �� ���������� �����������, �.�. ����������� �������

�1-2 = �1-�-2 = �1-b-2,

�� ����� ���� ���������� �������������� (��� �������������).       �� ��������� (3.2) �������, ��� ��������� ����������� �������� ����� ���������� �� ��������������� �������� ��������� ����� ������ (cos α ������ ���� ����). ������� ��� ����������� ������������ ����� ����� ��������� ���������� L, ��������, 1-a-2-b-1, ������ �������������� ���� ������������ ����� ����:

                                                        (3.3)

      ��������� �������������� ��� �������� ���� ���������� ���������, ���� ���������, ���� ������������������� ��������������.
      ��� ����, �� ��������������� ������� (3.3) (�.�. ������ ���� ��� ������� �� ���������� ����������� �����), ���������� ����������������� ��� ��������������. �������� ����� ��� �������� ���� ������, ������� ������ ���������� � �������, ��������������� ����������� �������� (cos α = -1 ). ������� ������ ��� ������ ��� ����������� ������������ ����� ����� ��������� ���������� ������ ������������ � ������� �� ����� ����.
      ��� �������������� �������� ���������� ������ ����� F, �������� ������� ��������, �������� ������ ������, ����������� ����� �� ������� �������:

                                                                                                                     (3.4)

      ���������� � (3.4) ��������� (3.1') ��� ������������ ������, �������:

                               (3.5)

      �������������, �������� (���������� ��������) ���� ����� ������������ ����������� ������������ ���� � �������� ��������, �.�. ���������� ������������ �������� ���� � ��������. ���� P≠const, �� ���������� �������� ������� �������� �� ��������� ���������� ������� t, � ������� �������� ���� ��������� ������ :

                                                                                                                      (3.6)

      ������� �������� � ���� (��): 1 �� � ��������, ��� ������� �� ����� 1 � ����������� ������ 1 ��:

1 �� = 1 ��/�.

Источник: http://csfm.volgatech.net/elearning/Nurgaliev/text/3.1.html

1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности — Энергетика: история, настоящее и будущее

1.3 - Энергия

Что представляет собой понятие «энергия», которое мы так часто используем? «Энергия» (греч. ενεργια – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. По большому счету понятие энергии, идея энергии искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире.

В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия – это плод мысли человека, его «изобретение», построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией. Для этой физической величины долгое время употреблялся термин «живая сила», введенный И. Ньютоном.

Впервые в истории в понятие «живая сила» смысл «энергия», не произнося ещё этого слова, вкладывает Роберт Майер в статье «Замечания о силах неживой природы», опубликованной в 1842 году. Специальный термин «энергия» был введен в 1807 г. английским физиком Томасом Юнгом и обозначал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела.

В науку термин «энергия» в современном его смысле ввел Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1860 году.

Энергия проявляется в различных формах движения материи, заполняющей все мировое пространство. Свойством, присущим всем видам энергии и объединяющим их, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном количественном соотношении.

Само название этого свойства – «закон сохранения и превращения энергии» – было введено в научное обращение Ф. Энгельсом, что позволило все виды энергии измерять в одних единицах. В качестве такой единицы принят джоуль (1 Дж =1 H · м =1 кг · м 2 /с 2).

В то же время для измерения количества теплоты используют «старую» единицу – 1 кал (калория), для измерения механической энергии – величину 1 кГм = 9,8 Дж, электрической энергии – 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт · с.

Почти все виды энергии, рассматриваемые в технической термодинамике, за исключением тепловой, представляют собой энергию направленного движения. Так, механическая энергия проявляется в непосредственно наблюдаемом движении тел, имеющем определенное направление в пространстве (движение газа по трубе, полет снаряда, вращение вала и т. п.).

Электрическая энергия проявляется в скрытом движении электронов по проводнику (электрический ток). Тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярном хаотическом движении, представляя собой энергию хаотического движения атомов и молекул вещества.

Тепловая энергия газов проявляется в колебательном, вращательном и поступательном движении молекул, которые постоянно меняют свою скорость по величине и направлению. При этом каждая молекула может беспорядочно перемещаться по всему объему газа.

В твердых телах тепловая энергия проявляется в колебаниях молекул и атомов относительно положений, определяемых кристаллической структурой вещества, в жидкостях – в колебании и перемещении молекул или их комплексов.

Следовательно, коренным отличием тепловой энергии от других видов энергии является то, что она представляет собой энергию не направленного, а хаотического движения. В результате этого превращение тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно различными видами энергии, в том числе тепловой, механической, электрической, химической, внутриядерной, а также потенциальной энергией различных физических полей (гравитационного, магнитного, электрического). Сумма всех видов энергии, которыми обладает тело, представляет собой полную его энергию.

Тепловая, химическая и внутриядерная энергии входят в состав внутренней энергии тела. Все прочие виды энергии, связанные с перемещением тела, а также потенциальная энергия внешних физических полей относятся к его внешней энергии.

Например, внешней энергией летящего снаряда в зоне действия сил земного притяжения будет сумма его кинетической Е к и потенциальной энергии гравитационного поля E п. г..

Если газ или жидкость движутся непрерывным потоком в трубе, то в их внешнюю энергию дополнительно входит энергия проталкивания, иногда называемая энергией давления Е пр.

Внешняя энергия, следовательно, представляет собой сумму

Е в н = Е к + Σ Е п i +Е п р, где Е п i – потенциальная энергия i -го поля (магнитного, электростатического и т. д.).

Внутренняя энергия тела U может быть представлена как бы состоящей из двух частей: внутренней тепловой энергии U Т и U 0 – внутренней нулевой энергии тела, условно охлажденного до абсолютного нуля температуры:

U=U 0 +U Т .

Внутренней тепловой энергией является та часть полной внутренней энергии тела, которая связана с тепловым хаотическим движением молекул и атомов и может быть выражена через температуру тела и другие его параметры.

Поскольку температура реального тела только частично отражает его внутреннюю тепловую энергию, изменение последней может иметь место и при постоянной температуре тела.

Примерами этого являются процессы испарения, плавления, сублимации, в которых происходит фазовое превращение и меняется степень хаотичности молекулярного движения.

Таким образом, полная энергия тела в общем случае может быть представлена в виде суммы внутренней нулевой U 0, внутренней тепловой U Т, внешней кинетической Е к энергий, совокупных внешних потенциальных Σ Е п i энергий и энергии проталкивания Е п р :Е=U 0 +U Т +Е к + Σ Е п i +Е п р.

Каждая из этих составляющих полной энергии может при определенных условиях превращаться одна в другую. Например, в химических реакциях имеет место взаимное превращение U 0 вU Т. Если реакция экзотермическая, то часть нулевой энергии превращается в тепловую.

Нулевая энергия полученных веществ оказывается меньшей, чем исходных, – происходит «выделение тепла». В эндотермических реакциях отмечается обратное явление: нулевая энергия увеличивается за счет уменьшения тепловой энергии – происходит «поглощение тепла».

В процессах, не связанных с изменением химического состава вещества, нулевая энергия не изменяется и остается постоянной. В этих условиях изменяется только внутренняя тепловая энергия.

Это позволяет в различных расчетных уравнениях учитывать изменение лишь внутренней тепловой энергии, которую в дальнейшем будем называть просто внутренней энергией U.

Если однородное тело массой m имеет внутреннюю энергию U,то внутренняя энергия 1 кг этого тела u=U/m.

Величину и называют удельной внутренней энергией и измеряют в Дж/кг.

Внешняя кинетическая энергия (Дж) представляет собой энергию поступательного движения тела как целого и выражается формулой

E к =mw 2 /2, где m – масса тела, кг; w – скорость движения, м/с.

Внешняя потенциальная энергия как энергия направленного действия статических полей может быть выражена через возможные работы каждого поля от заданного положения до каких-то нулевых. Так, потенциальная энергия гравитационного поля выражается как произведение силы тяжести mg этого тела на его высоту H над каким-либо нулем отсчета:

E = mgH.

Здесь высота H представляет собой соответствующую координату.

Энергия проталкивания Е п р представляет собой дополнительную энергию вещества, возникающую в системе за счет воздействия на него других частей системы, стремящихся вытолкнуть это вещество из занимаемого сосуда.

Так, при течении газа (или пара) по трубе или какому-либо каналу в условиях сплошного потока каждый килограмм этого газа, кроме внутренней и внешних кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переносимой на себе энергией проталкивания:

E пр . =p υ,

где p – удельное давление; υ – удельный объем (объем 1 кг массы вещества).

Для газов, паров и жидкостей, находящихся в потоке, величина p υ (или pV для m кг вещества) определяет неотъемлемую часть их

энергии. Поэтому для веществ, находящихся в сплошном потоке, определяющим параметром будет уже не внутренняя энергия U, а сумма U+pV=I, называемая энтальпией. Для 1 кг вещества i =u+ p υ, где i – в Дж/кг.

Такой же энергией i обладает и 1 кг газа, находящийся в цилиндре, при вытеснении его поршнем.

Полная энергия рассматриваемой системы, состоящей из 1 кг газа и действующего на него поршня, будет равна сумме внутренней энергии и газа и энергии p υ его выталкивания, т. е. равна его энтальпии. На этом основании энтальпию часто называют энергией расширенной системы.

Источник: http://energetika.in.ua/ru/books/book-2/part-2/section-1/1-3

Biz-books
Добавить комментарий