Контрольная работа по дисциплине «Введение в профессиональную деятельность» на тему «Возобновляемые и невозобновляемые виды энергии»

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Российский государственный профессионально-педагогический университет»

Институт инженерно-педагогического образования

Кафедра энергетики и транспорта

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине «Введение в профессиональную деятельность»
на тему «Возобновляемые и невозобновляемые виды энергии»

Работу выполнил: студент группы ЗЭЭ-101С

Иванов Александр Алексеевич

Работу проверил:

Екатеринбург РГППУ 20__

Содержание

Введение

1. 
   Возобновляемые виды энергии
   

1. 
   Классификация возобновляемых источников энергии
   

Возобновляемые источники энергии – это энергоресурсы постоянных природных процессов на планете, а также энергоресурсы продуктов жизнедеятельности биоцентров растительного и животного происхождения. [1]

Отличительной особенностью возобновляемых источников энергии является циклический характер их возобновления, который позволяет использовать эти ресурсы без ограничений по времени.

К возобновляемым источникам энергии относят энергию потоков воды, ветра, солнечного излучения, биомассы, тепловую энергию верхних слоев земной коры и океана.

Классификация возобновляемых источников энергии:[3]

• 
  механическая энергия (энергия потоков воды и ветра);
  
• 
  тепловая и энергия и энергия излучения (энергия солнечного излучения и тепла, которое выделяет ядро Земли);
  
• 
  химическая энергия (энергия, заключенная в биомассе).
  

Можно сделать вывод, что необходимость использования возобновляемых источников энергии определяется такими факторами:

1. 
   исчерпание в ближайшем будущем запасов органического топлива;
   
2. 
   загрязнением окружающей среды окисями азота и серы, углекислым газом, пылевидными остатками от сгорания добываемого топлива, радиоактивным загрязнением и тепловым перегревом при использовании ядерного топлива;
   
3. 
   быстрым ростом потребности в электрической энергии, потребление которой может существенно возрасти в ближайшие годы.
   

2. 
   Ветроэнергетика
   

Начиная с XIII в., ветродвигатели широко используются в Западной Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъёма воды, размола зерна и приведения в движение различных станков.

Ветряные мельницы, для производства электричества, были изобретены в 19-м веке в Дании. Там в 1890-м году была построена первая ветряная электростанция, а к 1908-му году их соорудили уже 72 с мощностью от 5 до 25 кВт. Однако вначале 19-20 вв. научно-технический прогресс приостановил развитие ветроэнергетики, замену нашли в полезных ископаемых, таких как нефть и газ.

Наиболее острый вопрос ветроэнергетики – экономическая эффективность возобновляемых источников энергии. Необходимо выбрать правильное место для установки агрегатов, в соответствии со специальными характеристиками, которые позволяют правильно подобрать местоположение. Наиболее выгодными местами для производства энергии из ветра считаются прибрежные зоны. Нужно учесть, что производительность энергии зависит от направления и скорости ветра.

Скорость ветра – главная проблема развития ветровой энергетики, так как ветер может менять скорость и направление в течение очень коротких промежутков времени, кроме того он характеризуется сезонной изменчивостью. Частично кратковременные колебания скорости ветра компенсируются самим ветроагрегатом, но длительные изменения или снижение скорости ветра влияют на выработку ветроагрегата и всего ветропарка в целом. Современные технологии позволяют свести этот недостаток к минимуму тем, что исследования скорости ветра проводят еще на предпроектной стадии, и затем продолжают вести в дальнейшем. Накопленная база данных позволяет прогнозировать выработку ветропарка уже на втором году его эксплуатации на 24 часа вперед с достаточно высокой точностью.

Все ветровые установки можно разделить на два типа: с вертикальной осью вращения ротора и с горизонтальной.

Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Ветродвигатели этой группы не создают большого шума. В них используются многополюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Недостатками таких агрегатов является их малый период вращения и небольшой КПД по сравнению с горизонтальными ВЭС.

В агрегатах с горизонтальной осью вращения используются лопасти, которые вращаются под действием ветрового потока. Система устанавливается в самое выгодное положение в потоке ветра с помощью крыла-стабилизатора, на электронной системе управления. Недостатками такой системы являются высокий уровень шума, потеря в механической передаче энергии, снижение продолжительности эксплуатации оборудования. Также при сильных порывах ветра лопасти агрегата могут получить значительные повреждения.

В настоящее время промышленным производством ветроустановок занимается более в Дании, Германии и США.

3. 
   Гидроэнергетика
   

Человек с давних пор использовал энергию воды и ее течения для своей пользы, еще древние греки использовали водяные колеса для получения муки. Со временем 2технологии совершенствовались, и в 19 веке была изобретена первая водяная турбина. Ее создали отдельно друг от друга 2 ученых: русский исследователь И. Сафонов в 1837 и французский ученый Фурнейрон в 1834 году. Однако изобретателем гидротурбины, можно даже сказать первой ГЭС, считается М. Доливо-Добровольский. Его изобретение состояло из генератора трехфазного тока, который вращала водяная турбина, а электричество, вырабатываемое ею, передавалось по проводам. В настоящее время энергия воды составляет более 60 процентов от всех возобновляемых источников энергии и является самой производительной из всех (КПД современных ГЭС составляет около 85-95%).

Основными причинами бурного развития гидроэнергетики являются:

1. 
   Постоянное возобновление ресурсов круговоротом воды в природе
   
2. 
   Относительно простыми механизмами добычи самой энергии.
   

Принцип работы ГЭС заключается в выработке энергии турбиной, которая вращается с помощью, падающей с большой высоты воды. Гидравлическая турбина преобразует энергию воды, в механическую энергию вращения вала. Существуют различные конструкции гидротурбин, которые соответствуют разным скоростям течения и разным напорам воды, но все они имеют два лопастных венца. Ось вращения турбины, которая рассчитана на большой расход и малый напор, располагают горизонтально. Такие турбины называются осевыми или пропеллерными. Во всех крупных осевых турбинах лопасти рабочего колеса могут поворачиваться в соответствии с изменениями напора, что особенно ценно в случае приливных ГЭС, которые работают в условиях переменного напора.

В зависимости от вырабатываемой мощности ГЭС разделяются:

1. 
   Мощные – вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше;
   
2. 
   Средние – до 25 МВт;
   
3. 
   Малые гидроэлектростанции – до 5 МВт.
   

В настоящее время лидерами по выработке гидроэнергии являются Норвегия, Китай, Канада, Россия. Лидером по количеству энергии воды на душу населения является Исландия.

4. 
   Солнечная энергия
   

Солнце – один из самых больших источников излучения в нашей Вселенной, излучение Солнца, доходящее до всей поверхности Земли, имеет огромную мощность, около 1,2*10¹⁴ кВт, и поэтому не случайно энергия звезды все больше используется человеком для переработки в электричество. Первые разработки в области гелиоэнергетики появились в середине 19 века. Первооткрывателями стали ученые Адамс и Дей, которые впервые провели эксперимент с твердотельными фотоэлектрическими элементами на основе селена. Основой для создания первых солнечных батарей послужила разработка теории полупроводниковых материалов с p-n переходом. [15]

С помощью солнечного излучения можно не только получать ток, но и тепло. Такое возможно благодаря солнечным коллекторам, в которых нагревается вода при помощи солнечного излучения, и потом используется для обогрева каких-либо сооружений.

Для солнечных электростанций очень важно правильно выбрать место для постройки. Необходимо помнить, что солнечные лучи, прежде чем достигнуть поверхности Земли, преодолевают множество преград, к ним можно отнести атмосферу, озоновый слой. В целом, поступление солнечного излучения на земную поверхность зависит от:[10]

1. 
   Географической широты;
   
2. 
   Состояния атмосферы;
   
3. 
   Климатических особенностей территории;
   
4. 
   Высоты места над уровнем моря;
   
5. 
   Высоты солнца над горизонтом и др.
   

1. 
   Прямое излучение, дошедшее до Земли;
   
2. 
   Рассеянная радиация;
   
3. 
   Противоизлучение атмосферы.
   

Классификация гелиостанций: [4]

1. 
   По виду преобразования солнечной энергии в другие виды – тепло или электричество;
   
2. 
   По концентрированию энергии – с концентраторами или без них;
   
3. 
   По технической сложности – простые и сложные.
   

К сложным относятся установки, которые преобразуют поступившую солнечную энергию в электрическую путем фотоэлектрических приборов.

Тепловые солнечные станции в основном используются для нагрева воды и воздуха. Также солнечное тепло используется для различных печей и зерносушилок, а также в солнечных дистилляторах, которые вырабатывают пресную воду.

В термоэлектрических преобразователях солнечное излучение используется для возникновения эффекта Зеебека. Он заключается в том, что если два различных проводника, соединенных последовательно, содержать в разных температурных средах, то в них появляется электродвижущая сила, а значит, вырабатывается ток. Солнечное излучение применяется для создания разности температур. Обычно, ею нагревается «горячий» проводник. Как правило, такие установки применяются как автономные источники питания [14].

Концентраторами солнечной энергии являются параболоидные установки, изготовленные из стекла или полированного металла. Их значение заключается в том, чтобы «ловить» солнечные лучи и отражать их в солнечный коллектор.

Наиболее активно используется солнечная энергия в Швейцарии, там стремительно развивается строительство солнечных электростанций. Также готовится производство солнечных батарей, устанавливающихся на крыши зданий или как фасады. Такие установки компенсируют около 50…70% энергии, затрачиваемой на производство.

1. Древесина. Многие века люди используют древесину для получения тепла, приготовления пищи, освещения жилья. Но все это приводит к одной из важнейших экологических проблем – вырубки лесов, ее можно решить с помощью использования энергии быстрорастущих деревьев, таких как тополь, ива и др.

2. Отстой сточных вод. При отстаивании сточных вод образуется твердое вещество, которое при переработке анаэробными бактериями содержит около 50% органического вещества. Однако существуют значительные трудности при переработке сточных вод. Главное из них – высушивание этих вод, на это тратится много тепла, которое сгорание отстоянного вещества окупить не сможет. Также этот процесс не вреден экологии, ведь при сгорании выделяется углекислый газ. Самым правильным вариантом в этом случае считается получение метана при помощи анаэробных бактерий. Но технологии для этого не разработаны на должном уровне, поэтому широко использовать данный нет возможности.

3. Отходы животноводства. Экскременты животных содержат высокое количество органического вещества, которое можно использовать для получения энергии. Однако, в навозе содержится большое количество влаги, поэтому его высушивание не выгодно, но есть другой вариант – это анаэробная переработка. С ее помощью получают метан, а оставшиеся вещества идут на удобрения для почвы.

4. Растительные отходы. В них содержится целлюлоза – углеродсодержащий углевод. Благодаря малому количеству влаги в отходах, при сжигании выделяется много энергии. Ограничивает использование этого вида энергии, сезонность произрастания культур, сложность сбора, потребность в доставке к месту переработки. Чтобы обеспечить безперебойное использование растительных отходов, нужно выращивать их круглый год, а это очень дорогостоящее мероприятие. [13].

5. Пищевые отходы. В отходах фруктов содержится большое количество углеродсодержащих сахаров, а в мясных отходах большое количество протеина. Но влажность не дает возможности получения энергии путем сгорания отходов, из них можно получить метан с помощью бактерий. Этот источник практически не развивается, так как пищевые отходы с успехом используются в животноводстве. Исключение составляют отходы в виде семян, шелухи, сахарного тростника. Например, отходы тростника идут на производство этанола, который при сжигании может выделить большое количество энергии. [5]

2. 
   Невозобновляемые виды энергии
   

Огромное количество природных ископаемых, которые содержат большие запасы энергии, находится в недрах Земли. Самые энергоемкие из них – нефть, уголь, природный газ, торф и уран. Это невозобновляемые источники, потому, что требуется большое количество времени, возможно миллионы лет, для их образования. Они имеют свои недостатки:

1. 
   Необратимое уменьшение количества запасенной в них энергии;
   
2. 
   При их использовании загрязняется окружающая среда.
   

1. 
   Уголь
   

Первым природным ископаемым был уголь, главную роль в освоении угля как источника энергии сыграла Англия. В этой же стране началась промышленная революция. В 1769 году Дж. Уатт зарегистрировал патент на универсальный паровой двигатель, который превращал тепловую энергию, образующуюся при сгорании угля, в механическую. Машина Уатта приспособили к различным производственным процессам. Таким образом, уголь занял позицию универсального энергоносителя. Паровые суда и поезда упростили передвижение, и уголь можно было доставлять по всей Англии, а позже, и по всему миру. Молодые города поднимались вокруг заводов, которые работали на энергии угля и ориентированных на мировой рынок. Таким образом, что уголь и пар помогли капитализму одолеть феодализм и дали начало эпохе промышленного капитализма в Европе и Америке [12].

В результате использования угля для производства энергии загрязнение атмосферы становится проблемой больших городов. Смог является самой большой проблемой загрязнения в Англии.

Еще в 1965 году уголь был самым важным источником в мире, в 1985 году он давал 31% производимой человечеством энергии. Уголь удобен для производства электричества и других производственных процессов. Он дает недорогую энергию в странах, где является доступным.

Природный уголь является продуктом разложения болотных растений (их возраст - до 300 млн. лет). Растения отмирая, погружались в болото, и со временем образовывались огромные слои таких отложений. Эти отложения под действием давления, температуры и бактерий превращались сначала в торф, а затем в уголь.

После добычи большая часть угля поступает на тепловые электростанции, где его энергию используют для нагревания воды до кипения, образующийся пар вращает турбины, которые связанны с электрическим генератором, он в свою очередь, вырабатывает электрический ток. В этом процессе одна треть тепла расходуется на производство электроэнергии, остальные две трети излучаются в атмосферу.

Уголь как источник энергии представляет опасность для окружающей среды. При сгорании угля выделяются ядовитые газы – угарный газ, сернистый газ и газы, влияющие на климат, например, углекислый газ. В наше время выбросы этих газов имеют очень большие объемы. Только при использовании энергии угля наносится такой огромный вред экологии, опасность также представляют угольная пыль и сажа.

С помощью современных технологий немного сокращают негативные последствия применения угля для получения энергии:

1. 
   применение усовершенствованных конструкций котлов, снижающих образование оксидов серы и азота и выбросы золы,
   
2. 
   применение очистных сооружений и фильтров для очистки дымовых газов от серы, азота и золы,
   
3. 
   применение водно-угольных суспензий вместо угля,
   
4. 
   утилизация отходов в интересах народного хозяйства.
   

2. 
   Нефть
   

Некоторые элементы необработанной нефти использовались для получения энергии сотни лет. Современная же нефтяная промышленность родилась в Пенсильвании в 1859 году, она уверенно развивалась и сейчас занимает лидирующее положение на мировом рынке источников энергии. Сырая нефть распределена на Земле неравномерно, и также неравномерно потребляется жителями Земли. Основные запасы нефти находятся в России, на Ближнем Востоке, в Латинской Америке и Африке. Крупные потребители нефти – США и европейские страны, не имеют достаточного количества запасов нефти. [11].

Нефть - это смесь углеводородов, она является продуктом разложения одноклеточных растений и организмов, существовавших сотни миллионов лет назад. Умирая, они сформировали отложения нефти на глубине от 30 метров до 8 километров.

Добыча, транспортировка и переработка нефти сопровождается вредным влиянием на экологию. Часто происходят разливы нефти, при сжигании нефтепродуктов в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа, при переработке нефти в окружающую среду выделяются угарный газ, соединения свинца, оксиды азота и серы, а они вызывают болезни растений, животных, человека.

Таким образом, использование нефти наносит огромный вред окружающей среде – океанам, атмосфере и живым организмам, поэтому следует использовать её только там, где она незаменима.
2.3 Природный газ
Зажигая плиту на кухне, мало кто задумывается, как давно газ используется в качестве источника энергии. Из природного газа вырабатывается 25% энергии в мире, по добыче газа Россия устойчиво лидирует в мире.

Природный газ, так же как нефть и уголь, образуется в недрах земли из останков растений и мелких животных. Его залежи часто находятся вместе с нефтью, хотя наряду с этим существуют чисто газовые месторождения. Содержание энергии в природном газе почти так же высоко, как в нефти. Природный газ используют как топливо на электростанциях, как бытовое топливо, как сырье в промышленности, и т. д.

Природный газ является самой чистой формой невозобновляемой энергии: в нем невысокое содержание вредных веществ, и он сгорает очень быстро, поэтому его просто использовать. Но все таки, проблемы выброса углекислого газа при сгорании природного газа никуда не исчезли.

Газ транспортируют к месту переработки по трубам, для большей эффективности снижают температуру, чтобы газ перешел в жидкое состояние, и транспортируют в нефтяных танкерах [9].

4. 
   Получение атомной энергии
   

В современной промышленности атомная энергия используется только для производства электричества, хотя были разработаны проекты тепловых атомных станций. Первая атомная электростанция, была сооружена в СССР в 1954 г. в городе Обнинске Калужской области.

Во всем мире атомные электростанции дают около 17% производимой на Земле электроэнергии. В России на десяти атомные электростанции производится примерно 16% электроэнергии от всего количества.

В странах мира по-разному относятся к АЭС. Лидером в использовании атомной энергии является Франция. Около 80% электроэнергии здесь вырабатывается на атомных электростанциях. В Германии, наоборот, приняли решение к 2020 году закрыть все существующие атомные электростанции. В США ядерная энергетика объявлена одним из главных направлений стратегии по разработке ресурсов. В Австрии был проведен общенациональный референдум, на котором приняли решения не использовать единственную сооруженную там атомную электростанцию. Дания так же полностью отказалась от использования атомной энергии [6].

Необходимо отметить, что выражения «атомная электростанция», «атомная энергия» не совсем соответствуют действительности. Вернее говорить о ядерной энергии, то есть энергии атомного ядра. На атомных электростанциях в качестве источника энергии используют радиоактивные химические элементы плутоний или уран, их ядра неустойчивы и самопроизвольно распадаются на более легкие ядра. При этом выделяется большое количество тепловой энергии. Реакция радиоактивного распада происходит в ядерных реакторах.

Схема наиболее используемого в России типа ядерных реакторов изображена на рисунке 1. В активной зоне реактора выделяется тепло, затем оно поглощается жидким теплоносителем, который прокачивается через активную зону реактора с помощью насоса. Теплоноситель транспортирует тепловую энергию в теплообменник, где она передается во вторичный контур и используется для превращения воды в пар.

Рис. 1. Схема ядерного реактора

Потом пар направляется на паровую турбину, которая вращает электрогенератор, и эта система работает как на тепловой электростанции. Теплоноситель во вторичном контуре не соприкасается с активной зоной реактора.

Ядерная энергия очень концентрированна, при распаде 1 г урана выделяется такое же количество энергии как при сгорании 2,5 миллионов килограмм угля. При работе атомной электростанции в нормальном режиме выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, нет; атомные электростанции не загрязняют почву и водоемы золой и шлаками. Но атомные электростанции производят огромное тепловое загрязнение природных водоемов, которые используют для забора и выброса воды, применяемой для охлаждения реактора. В зимнее время разница естественной воды и температуры сбросных вод достигает 10 °С, это явление приводит к нарушению баланса в экосистеме.

Строительство тепловой электростанции обходится примерно в 5 раз дешевле, чем строительство атомной электростанции. Дороговизна ядерных реакторов и атомных электростанций в целом связано с надобностью соблюдения строгие меры безопасности для предупреждения аварий. Так же, необходимо отметить, что цена транспортировки, хранения и переработки радиоактивных отходов атомных электростанций очень высока. Таким образом, атомная энергия является самой дорогой энергией, если учесть все расходы, включая добычу, транспортировку радиоактивного сырья, строительство атомной электростанции и утилизацию отходов.

Очень сложным и опасным процессом является демонтаж атомной электростанции по окончании ее эксплуатации. Большая опасность, при использовании ядерной энергии, прячется в распространении радиоактивных веществ, которые могут применить для изготовления ядерного оружия и, затем, используются в ядерной войне или в ядерном терроризме [8].

Заключение

В данной реферативной работе были рассмотрены виды возобновляемой и невозобновляемой энергии, их источники, классификация, способы разработки и использования.

На невозобновляемые виды энергии приходится около 90% всех используемых ресурсов. Но современный уровень знаний человечества, а также имеющиеся и разрабатывающиеся технологии дают основание полагать, что жителям нашей планеты не грозит ситуация при которой, энергетические ресурсы будут исчерпаны, а экологические проблемы будут непреодолимы. Ведутся разработки по применению таких интересных видов альтернативной энергии, как грозовая энергетика, управляемый термоядерный синтез, гравитационная энергетика, криоэнергетика, энергия температурного градиента морской воды. Согласно данным ООН в разработку альтернативных видов энергии по всему миру было инвестировано около 140 миллиардов долларов. Так же, во всем мире существует система поддержки возобновляемых источников энергии. Таким образом, для человечества существует реальная возможность перехода на источники энергии неисчерпаемые и экологически чистые.