Энергетика для начинающих. — Энергодиспетчер
Электрическая энергия давно вошла в нашу жизнь. Еще греческий философ Фалес в 7 веке до нашей эры обнаружил, что янтарь, потертый о шерсть начинает притягивать предметы. Но долгое время на этот факт никто не обращал внимание. Лишь в 1600 году впервые появился термин «Электричество», а в 1650 году Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. Это была первая простейшая электростатическая машина.
Прошло много лет с тех пор, но даже сегодня, в мире, заполненном терабайтами информации, когда можно самому узнать все, что тебя интересует, для многих остается загадкой как производится электричество, как его доставляют к нам в дом, офис, на предприятие…
В несколько частей рассмотрим эти процессы.
Часть I. Генерация электрической энергии.
Откуда же берется электрическая энергия? Появляется эта энергия из других видов энергии – тепловой, механической, ядерной, химической и многих других. В промышленных масштабах электрическую энергию получают на электростанциях. Рассмотрим только самые распространенные виды электростанций.
1) Тепловые электростанции. Сегодня из можно объединить одним термином – ГРЭС (Государственная Районная Электростанция). Конечно, сегодня этот термин потерял первоначальный смысл, но он не ушел в вечность, а остался с нами.
Тепловые электростанции делятся на несколько подтипов:
А) Конденсационная электростанция (КЭС) — тепловая электростанция, производящая только электрическую энергию, своим названием этот тип электростанций обязан особенностям принципа работы.
Рис.1
Принцип работы: В котел при помощи насосов подается воздух и топливо (газообразное, жидкое или твердое). Получается топливо-воздушная смесь, которая горит в топке котла, выделяя огромное количество теплоты. При этом вода проходит по трубной системе, которая располагается внутри котла. Выделяющаяся теплота передается этой воде, при этом ее температура повышается и доводится до кипения. Пар, который был получен в котле снова идет в котел для перегревания его выше температуры кипения воды (при данном давлении), затем по паропроводам он поступает на паровую турбину, в которой пар совершает работу. При этом он расширяется, уменьшается его температура и давление. Таким образом, потенциальная энергия пара передается турбине, а значит, превращается в кинетическую. Турбина же в свою очередь приводит в движение ротор трехфазного генератора переменного тока, который находится на одном валу с турбиной и производит энергию.
Рассмотрим некоторые элементы КЭС поближе.
Паровая турбина.
Рис.2
Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. Между рядами лопаток, как видите, есть промежутки. Они есть потому, что этот ротор вынут из корпуса. В корпус тоже встроены ряды лопаток, но они неподвижны и служат для создания нужного угла падения пара на движущиеся лопатки.
Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум.
Турбина и генератор, которые находятся на одном валу называются турбогенератором. Трехфазный генератор переменного тока (синхронная машина).
Рис.3
Он состоит из:
- Электромагнита, вращающегося вместе с валом турбогенератора (это обмотка возбуждения). На данном рисунке электромагнит имеет 1 пару полюсов, а это значит, что для того, чтобы генератор выдавал частоту тока 50 Гц, он должен вращатся с частотой 3000 об/мин. (такие турбогенераторы называют быстроходными). Если бы было 2 пары полюсов, то достаточно было бы вращение с частотой 1500 об/мин, и так далее. Чем больше пар полюсов, тем больше становится турбогенератор. Оптимальную частоту выбирают исходя из параметров теплоносителя. На КЭС устанавливают, в основном, быстроходные турбогенераторы.
- 3-х обмоток статора, смещенных относительно друг друга на 120 градусов. Каждая обмотка – это фаза. Концы этих обмоток соединяются специальным образом
Рис.4
(обычно в треугольник, а начала выводятся. По токопроводам выработанная энергия (с номинальным напряжением до 24 кВ) поступает на повышающий трехфазный трансформатор (или на группу 3-х однофазных трансформаторов.
Рис. 5,6
Который повышает напряжение до стандартного значения (35-110-220-330-500-750 кВ). При этом ток значительно уменьшается (например, при увеличении напряжения в 2 раза, ток уменьшается в 4 раза), что позволяет передавать мощность на большие расстояния. Следует отметить, что когда мы говорим о классе напряжения, то мы имеем в виду линейное (междуфазное) напряжение.
Активную мощность, которую вырабатывает генератор, регулируют изменением количеством энергоносителя, при этом изменяется ток в обмотке ротора. Для увеличения выдаваемой активной мощности нужно увеличить подачу пара на турбину, при этом ток в обмотке ротора возрастет. Не следует забывать, что генератор синхронный, а это значит, что его частота всегда равна частоте тока в энергосистеме, и изменение параметров энергоносителя не повлияет на частоту его вращения.
Кроме того, генератор вырабатывает и реактивную мощность. Ее можно использовать для регулирования выдаваемого напряжения в небольших пределах (т.е. это не основное средство регулирования напряжения в энергосистеме). Работает это таким образом. При перевозбуждении обмотки ротора, т.е. при повышении напряжения на роторе сверх номинала, «излишек» реактивной мощности выдается в энергосистему, а когда обмотку ротора недовозбуждают, то реактивная мощность потребляется генератором.
Таким образом, в переменном токе мы говорим о полной мощности (измеряется в вольт-амперах – ВА), которая равна корню квадратному от суммы активной (измеряется в ваттах – Вт) и реактивной (измеряется в вольт-амперах реактивных – ВАР) мощностях.
Вода в водохранилище служит для отведения тепла от конденсатора. Однако, часто для этих целей используют брызгальные бассейны
Рис.7
или градирни. Градирни бывают башенными Рис.8
или вентиляторными Рис.9
Градирни устроены почти так же как и брызгальные бассейны, с тем лишь различием, что вода стекает по радиаторам, передает им тепло, а уже они охлаждаются нагнетаемым воздухом. При этом часть воды испаряется и уносится в атмосферу.
КПД такой электростанции не превышает 30%.
Б) Газотурбинная электростанция.
Парогазовые установки.
На газотурбинной электростанции турбогенератор приводится в движение не паром, а непосредственно газами, получаемыми при сгорании топлива. При этом можно использовать только природный газ, иначе турбина быстро выйдет из стоя из-за ее загрязнения продуктами горения. КПД на максимальной нагрузке 25-33%
Гораздо больший КПД (до 60%) можно получить, совмещая паровой и газовый циклы. Такие установки называются парогазовыми. В них вместо обычного котла установлен котел-утилизатор, не имеющий собственных горелок. Теплоту он получает от выхлопа газовой турбины. В настоящее время ПГУ активнейшим образом внедряются в нашу жизнь, но пока в России их немного.
В) Теплоэлектроцентрали (очень давно стали неотъемлемой частью крупных городов). Рис.11
ТЭЦ конструктивно устроена как конденсационная электростанция (КЭС). Особенность электростанции такого типа состоит в том, что она может вырабатывать одновременно как тепловую, так и электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные способы отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. При этом часть пара или полностью весь пар (зависит от типа турбины) поступает в сетевой подогреватель, отдает ему теплоту и конденсируется там. Теплофикационные турбины позволяют регулировать количество пара для тепловых или промышленных нужд что позволяет ТЭЦ работать в нескольких режимах по нагрузке:
тепловому — выработка электрической энергии полностью зависит от выработки пара для промышленных или теплофикационных нужд.
электрическому — электрическая нагрузка независима от тепловой. Кроме того, ТЭЦ могут работать и в полностью конденсационном режиме. Это может потребоваться, например, при резком дефиците активной мощности летом. Такой режим является невыгодным для ТЭЦ, т.к. значительно снижается КПД.
Одновременное производство электрической энергии и тепла (когенерация) – выгодный процесс, при котором КПД станции существенно повышается. Так, например, расчетный КПД КЭС составляет максимум 30%, а у ТЭЦ – около 80%. Плюс ко всему, когенерация позволяет уменьшить холостые тепловые выбросы, что положительно сказывается на экологии местности, в которой расположена ТЭЦ (по сравнению с тем, если бы тут была КЭС аналогичной мощности).
Рассмотрим подробнее паровую турбину.
К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с:
-противодавлением;
-регулируемым отбором пара;
-отбором и противодавлением.
Турбины с противодавлением работают с выхлопом пара не в конденсатор, как у КЭС, а в сетевой подогреватель, то есть весь пар, пошедший через турбину, идет на теплофикационные нужды. Конструкция таких турбин обладает существенным недостатком: график электрической нагрузки полностью зависит от графика тепловой нагрузки, то есть такие аппараты не могут принимать участия в оперативном регулировании частоты тока в энергосистеме.
В турбинах, имеющих регулируемый отбор пара, происходит его отбор в нужном количестве в промежуточных ступенях, при этом выбирают такие ступени для отбора пара, какие подходят в данном случае. Такой тип турбины обладает независимостью от тепловой нагрузки и регулирование выдаваемой активной мощности можно регулировать в больших пределах, чем у ТЭЦ с противодавлением.
Турбины с отбором и противодавлением совмещают в себе функции первых двух видов турбин.
Теплофикационные турбины ТЭЦ не всегда не способны за малый промежуток времени изменить тепловую нагрузку. Для покрытия пиков нагрузки ,а иногда и для увеличения электрической мощности путем перевода турбин в конденсационный режим, на ТЭЦ устанавливают пиковые водогрейные котлы.
2) Атомные электростанции.
В России на настоящий момент существует 3 вида реакторных установок. Общий принцип их работы примерно похож на работу КЭС (в былые времена АЭС называли ГРЭС). Принципиальное различие состоит лишь в том, что тепловую энергию получают не в котлах на органическом топливе, а в ядерных реакторах.
Рассмотрим две самых распространенных типов реакторов в России.
1) Реактор РБМК.
Рис.12
Отличительная особенность этого реактора состоит в том, что пар для вращения турбины получают непосредственно в активной зоне реактора.
Активная зона РБМК. Рис.13
состоит из вертикальных графитовых колонн, в которых находятся продольные отверстия, с вставленными туда трубами из циркониевого сплава и нержавеющей стали. Графит выполняет роль замедлителя нейтронов. Все каналы делятся на топливные и каналы СУЗ (система управления и защиты). Они имеют разные контуры охлаждения. В топливные каналы вставляют кассету (ТВС – тепловыделяющую сборку) со стержнями (ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент) внутри которых находятся урановые таблетки в герметичной оболочке. Понятно, что именно от них получают тепловую энергию, которая передается непрерывно циркулирующему снизу вверх теплоносителю под большим давлением – обычной, но очень хорошо очищенной от примесей воде.
Рис.14
Вода, проходя по топливным каналам, частично испаряется , пароводяная смесь поступает от всех отдельных топливных каналов в 2 барабан-сепаратора, где происходит отделение (сепарация) пара от воды. Вода снова уходит в реактор с помощью циркуляционных насосов (всего из 4 на петлю), а пар по паропроводам идет на 2 турбины. Затем пар конденсируется в конденсаторе, превращается в воду, которая снова идет в реактор.
Тепловой мощностью реактора управляют только с помощью стержней-поглотителей нейтронов из бора, которые перемещаются в каналах СУЗ. Вода, охлаждающая эти каналы идет сверху вниз.
Как вы могли заметить, я еще ни разу не сказал про корпус реактора. Дело в том, что фактически у РБМК нет корпуса. Активная зона про которую я вам сейчас рассказывал помещена в бетонную шахту, сверху она закрыта крышкой весом в 2000 тонн.
Рис.15
На приведенном рисунке видна верхняя биологическая защита реактора. Но не стоит ожидать, что приподняв один из блоков, можно будет увидеть желто-зеленое жерло активной зоны, нет. Сама крышка располагается значительно ниже, а над ней, в пространстве до верхней биологической защиты остается промежуток для коммуникаций каналов и полностью извлеченных стержней поглотителей.
Между графитовыми колоннами оставляют пространство для теплового расширения графита. В этом пространстве циркулирует смесь газов азота и гелия. По ее составу судят о герметичности топливных каналов. Активная зона РБМК рассчитана на разрыв не более 5 каналов, если разгерметизируется больше – произойдет отрыв крышки реактора и раскрытие остальных каналов. Такое развитие событий вызовет повторение Чернобыльской трагедии (тут я имею в виду не саму техногенную катастрофу, а ее последствия).
Рассмотрим плюсы РБМК:
—Благодаря поканальному регулированию тепловой мощности есть возможность менять топливные сборки, не останавливая реактор. Каждый день, обычно, меняют несколько сборок.
—Низкое давление в КМПЦ (контур многократной принудительной циркуляции), что способствует более мягкому протеканию аварий, связанных с его разгерметизацией.
—Отсутствие сложного в изготовлении корпуса реактора.
Рассмотрим минусы РБМК:
—В ходе эксплуатации были обнаружены многочисленные просчеты в геометрии активной зоны, устранить которые на действующих энергоблоках 1-го и 2-го поколений (Ленинград, Курск, Чернобыль, Смоленск) полностью не возможно. Энергоблоки РБМК 3-его поколения (он один – на 3 энергоблоке Смоленской АЭС) лишен этих недостатков.
—Реактор одноконтурный. То есть турбины вращает пар, полученный непосредственно в реакторе. А это значит, что он содержит радиоактивные компоненты. При разгерметизации турбины (а такое было на Чернобыльской АЭС в 1993 году) ее ремонт будет сильно усложнен, а, может быть, и невозможен.
—Срок службы реактора определяется сроком службы графита (30-40 лет). Затем наступает его деградация, проявляющаяся в его разбухании. Этот процесс уже вызывает серьезные опасения на старейшем энергоблоке РБМК Ленинград-1, построенном в 1973 году (ему уже 39 лет). Наиболее вероятный выход из ситуации – заглушение n-нного количества каналов для уменьшения теплового расширения графита.
—Графитовый замедлитель является горючим материалом.
—Ввиду огромного количества запорной арматуры, реактор сложен в управлении.
— На 1 и 2 поколениях существует неустойчивость при работе на малых мощностях.
В целом можно сказать, что РБМК – хороший реактор для своего времени. В настоящее время принято решение не строить энергоблоки с этим типом реакторов.
2) Реактор ВВЭР.
Рис. 16
На смену РБМК в настоящее время приходит ВВЭР. Он обладает значительными плюсами по сравнению с РБМК.
Активная зона полностью находится в очень прочном корпусе, который изготавливают на заводе и привозят железнодорожным, а затем и автомобильным транспортом на строящийся энергоблок в полностью готовом виде. Замедлителем является чистая вода под давлением. Реактор состоит из 2-х контуров: вода первого контура под большим давлением охлаждает топливные сборки, передавая тепло 2-му контуру с помощью парогенератора (выполняет функцию теплообменника между 2-ми изолированными контурами). В нем вода второго контура кипит, превращается в пар и идет на турбину. В первом контуре вода не кипит, так как она находится под очень большим давлением. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе и снова идет в парогенератор. Двухконтурная схема обладает значительными плюсами по сравнению с одноконтурной:
-Пар, идущий на турбину не радиоктивен.
-Мощностью реактора можно управлять не только стержнями-поглотителями, но и раствором борной кислоты, что делает реактор более устойчивым.
-Элементы первого контура располагаются очень близко друг от друга, поэтому их можно поместить в общую защитную оболочку. При разрывах в первом контуре радиоактивные элементы попадут в гермооболочку и не выйдут в окружающую среду. Кроме того гермооболочка защищает реактор от внешнего воздействия (например от падения небольшого самолета или взрыва за периметром станции).
-Реактор не сложен в управлении.
Имеются так же и минусы:
—В отличие от РБМК, топливо нельзя менять при работающем реакторе, т.к. оно находится в общем корпусе, а не в отдельных каналах, как в РБМК. Время перезагрузки топлива обычно совпадает со временем текущего ремонта, что уменьшает воздействие этого фактора на КИУМ (коэффициент используемой установленной мощности).
—Первый контур находится под большим давлением, что потенциально может вызвать больший масштаб аварии при разгерметизации, чем РБМК.
—Корпус реактора очень сложно перевезти с завода-изготовителя на стройплощадку АЭС.
Что же, работу тепловых электростанций мы рассмотрели, теперь рассмотрим работу
гидравлических электростанций.
Рис.17
Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.
Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. ГЭС обладают очень высокой маневренностью вырабатываемой мощности, а также малой стоимостью вырабатываемой электроэнергии. Эта особенность ГЭС привела с созданию другого типа электростанции – ГАЭС. Такие станции способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (обычно ночью), гидроагрегаты ГАЭС работают как насосы, потребляя электрическую энергию из энергосистемы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность (в пики нагрузки), вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины. ГАЭС выполняют исключительно важную функцию в энергосистеме (регулирование частоты), но они не получают широкого распространения у нас в стране, т.к. в итоге они потребляют больше мощности, чем выдают. То есть станция такого типа убыточна для владельца. Например, на Загорской ГАЭС мощность гидрогенераторов в генераторном режиме 1200 МВт, а в насосном – 1320 МВт. Однако такой тип станции наилучшем образом подходит для быстрого увеличения или уменьшения вырабатываемой мощности, поэтому их выгодно сооружать около, например, АЭС, так как последние работают в базовом режиме.
Мы с вами рассмотрели как именно производится электрическая энергия. Пора задать себе серьезный вопрос: «А какой тип станций наилучшем образом отвечает всем современным требованиям по надежности, экологичности, а кроме этого, еще и будет отличаться малой стоимостью энергии?» Каждый ответит на этот вопрос по-разному. Приведу свой список «лучших из лучших».
1) ТЭЦ на природном газе. КПД таких станций очень высок, высока и стоимость топлива, но природный газ – один из самых «чистых» видов топлива, а это очень важно для экологии города, в черте которых обычно и располагаются ТЭЦ.
2) ГЭС и ГАЭС. Преимущества над тепловыми станциями очевидно, так как этот тип станции не загрязняет атмосферу и производит самую «дешевую» энергию, которая плюс ко всему является возобновляемым ресурсом.
3) ПГУ на природном газе. Самый высокий КПД среди тепловых станций, а так же малое количество потребляемого топлива, позволит частично решить проблему теплового загрязнения биосферы и ограниченных запасов ископаемого топлива.
4) АЭС. В нормальном режиме работы АЭС выбрасывает в окружающую среду в 3-5 раз меньше радиоактивных веществ, чем тепловая станция той же мощности, поэтому частичное замещения тепловых электростанций атомными вполне оправдано.
5) ГРЭС. В настоящее время на таких станциях в качестве топлива используют природный газ. Это является абсолютно бессмысленным, так как с тем же успехов в топках ГРЭС можно утилизировать попутный нефтяной газ (ПНГ) или сжигать уголь, запасы которого огромны, по сравнению с запасами природного газа.
На этом я завершаю первую часть статьи. В следующей части мы узнаем, как электрическая энергия приходит к потребителям.
Материал подготовил:
студент группы ЭС-11б ЮЗГУ Агибалов Сергей.
Труб И.И. Про электричество для «чайников»
Труб И.И. Про электричество для «чайников»
К читателю
Вероятно, нет необходимости объяснять тебе значение электричества для обеспечения нормальной жизнедеятельности каждого человека. Не будет преувеличением сказать, что сегодня оно является такой же её составной частью, как вода, тепло, пища. И если в доме погас свет, ты, обжигая пальцы о зажжённую спичку, немедленно звонишь к нам.
Долгий и трудный путь проходит электричество прежде, чем попасть в твой дом. Выработанное из топлива на электростанции, оно путешествует через трансформаторные и коммутационные подстанции, через тысячи километров линий, укреплённых на десятках тысяч опор.
Электричество сегодня — это совершенная технология, надёжное и качественное электроснабжение, забота о потребителе и его обслуживание.
Однако, это ещё не всё. Конечное звено в электрической цепочке — это электрооборудование твоего дома. А оно, как и всякое другое, требует некоторых знаний для его правильной эксплуатации. Поэтому мы призываем тебя к сотрудничеству с нами и с этой целью даём некоторые рекомендации и предостережения. Предостережения выделены красным цветом.
Речь пойдёт о следующем:
- Правовые аспекты. Абонент должен быть ознакомлен со своими правами, обязанностями и ответственностью по отношению к энергоснабжающей организации. То же — по отношению энергоснабжающей организации к нему.
- Знакомство с квартирной электропроводкой, коммутационной аппаратурой и установочными изделиями.
- Мы дадим ряд полезных рекомендаций по экономии электроэнергии.Они помогут вам уменьшить оплату за неё, а нам – уменьшить дефицит электроэнергии во время зимнего максимума и сберечь энергоресурсы.
- Электричество требует не только определённых знаний, но и строгого соблюдения определённых правил от пользователя. Оно представляет опасность, как для тех, кто не умеет им пользоваться, так и для недисциплинированных «умельцев». Поэтому мы ознакомим тебя с основами электробезопасности.
…
Электричество для “чайников”. Школа для электрика
Предлагаем небольшой материал по теме: «Электричество для начинающих». Он даст первоначальное представление о терминах и явлениях, связанных с движением электронов в металлах.
Особенности термина
Электричество представляет собой энергию маленьких заряженных частиц, движущихся в проводниках в определенном направлении.
При постоянном токе не наблюдается изменения его величины, а также направления движения за определенный промежуток времени. Если в качестве источника тока выбирается гальванический элемент (батарейка), в таком случае заряд движется упорядоченно: от отрицательного полюса к положительному концу. Процесс продолжается до тех пор, пока он полностью не исчезнет.
Переменный ток периодически изменяет величину, а также направление движения.
Схема передачи переменного тока
Попробуем понять, что такое фаза в электричестве. Это слово слышали все, но далеко не всем понятен его истинный смысл. Не будем углубляться в детали и подробности, выберем только тот материал, который необходим домашнему мастеру. Трехфазная сеть является способом передачи электрического тока, при котором по трем разным проводам протекает ток, а по одному идет его возврат. Например, в электрической цепи есть два провода.
По первому проводу к потребителю, например, к чайнику, идет ток. Второй провод используется для его возвращения. При размыкании такой цепи, прохождения электрического заряда внутри проводника не будет. Данная схема описывает однофазную цепь. Что такое фаза в электричестве? Фазой считают провод, по которому протекает электрический ток. Нулевым называют провод, по которому осуществляется возврат. В трехфазной цепи присутствует сразу три фазных провода.
Электрический щиток в квартире необходим для распределения электрического тока по всем помещениям. Трехфазные сети считают экономически целесообразными, поскольку для них не нужны два нулевых провода. При подходе к потребителю, идет разделение тока на три фазы, причем в каждой есть по нолю. Заземлитель, который используется в однофазной сети, не несет рабочей нагрузки. Он является предохранителем.
К примеру, при возникновении короткого замыкания появляется угроза удара током, пожара. Для предотвращения такой ситуации, величина тока не должна превышать безопасный уровень, избыток уходит в землю.
Пособие “Школа для электрика” поможет начинающих мастерам справляться с некоторыми поломками бытовых приборов. Например, если возникли проблемы при функционировании электрического двигателя стиральной машины, ток будет попадать на внешний металлический корпус.
При отсутствии заземления заряд будет распределяться по машине. При прикосновении к ней руками, в роли заземлителя выступит человек, получив удар электрическим током. При наличии провода заземления такой ситуации не возникнет.
Особенности электротехники
Пособие «Электричество для чайников» пользуется популярностью у тех, кто далек от физики, но планирует использовать эту науку в практических целях.
Датой появления электротехники считают начало девятнадцатого века. Именно в это время был создан первый источник тока. Открытия, сделанные в области магнетизма и электричества, сумели обогатить науку новыми понятиями и фактами, обладающими важным практическим значением.
Пособие «Школа для электрика» предполагает знакомство с основными терминами, касающимися электричества.
Советы начинающим
Во многих сборниках по физике есть сложные электрические схемы, а также разнообразные непонятные термины. Для того чтобы новички могли разобраться во всех тонкостях данного раздела физики, было разработано специальное пособие «Электричество для чайников». Экскурсию в мир электрона необходимо начинать с рассмотрения теоретических законов и понятий. Наглядные примеры, исторические факты, используемые в книге «Электричество для чайников», помогут начинающим электрикам усваивать знания. Для проверки успеваемости можно использовать задания, тесты, упражнения, связанные с электричеством.
Если вы понимаете, что у вас недостаточно теоретических знаний для того, чтобы самостоятельно справиться с подключением электрической проводки, обратитесь к справочникам для «чайников».
Безопасность и практика
Для начала нужно внимательно изучить раздел, касающийся техники безопасности. В таком случае во время работ, связанных с электричеством, не будет возникать чрезвычайных ситуаций, опасных для здоровья.
Для того чтобы на практике реализовать теоретические знания, полученные после самостоятельного изучения основ электротехники, можно начать со старой бытовой техники. До начала ремонта обязательно ознакомьтесь с инструкцией, прилагаемой к прибору. Не забывайте, что с электричеством шутить не нужно.
Электрический ток связан с передвижением электронов в проводниках. Если вещество не способно проводить ток, его называют диэлектриком (изолятором).
Для движения свободных электронов от одного полюса к другому между ними должна существовать определенная разность потенциалов.
Интенсивность тока, проходящего через проводник, связана с количеством электронов, проходящих через поперечное сечение проводника.
На скорость прохождения тока влияет материал, длина, площадь сечения проводника. При увеличении длины провода, увеличивается его сопротивление.
Заключение
Электричество является важным и сложным разделом физики. Пособие “Электричество для чайников” рассматривает основные величины, характеризующие эффективность работы электрических двигателей. Единицами измерения напряжения являются вольты, ток определяется в амперах.
У любого источника электрической энергии существует определенная мощность. Она подразумевает количество электричества, вырабатываемое прибором за определенный промежуток времени. Потребители энергии (холодильники, стиральные машины, чайники, утюги) также имеют мощность, расходуя электричество во время работы. При желании можно провести математические расчеты, определить примерную плату за каждый бытовой прибор.
Совет опытного чайника чайнику-новичку. Энергия это мера работы раба на галерах, которую он (в том числе чайник) может выполнить. Но есть ужасный закон природы — закон сохранения энергии. Для чайников он формулируется так: “Можно выполнить максимум столько работы, сколько энергии было запасено”. Сколь угодно меньше — можно всегда, но тогда и денег будет меньше.
Энергия (работа) измеряется в Джоулях. Был такой ученый. Но можно и в других единицах. Например в единицах работы раба на галерах — Путинах (Пу). Просто надо знать коэффициенты перехода из одних единиц измерения в другие. Например 1 Пу = 1 ккал = 4184 Дж, это столько работы, сколько Путин выполняет в среднем за один день, работая как раб на галерах в Кремле для народа. Это количество энергии повысит температуру 1 кг воды на 1 градус.
Где энергия хранится. В еде, которую мы поглощаем. Но этого мало. Человек должен быть живым, т.е. дышать, пить воду и ходить на работу. При выполнении всех этих условий химическая энергия, заключенная в еде, трансформируется в организме человека (желудочно-кишечным трактом) в тепло, запуская при этом огромное число биохимических реакций в организме (метаболизм). В процессе эволюции, люди (и чайники, которых было много во все времена) научились запасать неиспользованную энергию в виде подкожного жира и расщеплять его при дефиците еды. Это та же химическая энергия, только в более компактном и удобном виде (буквально — всегда под рукой).
Как это работает. Есть такие химические реакции, называемые экзотермическими, которые сопровождаются выделением теплоты. Основным источником экзотермических реакций являются жиры, белки и углеводы, поступающие с пищей. Вместе с пищей поступает также огромное число минеральных веществ и витаминов, являющиеся строительным материалом для роста организма и воспроизведения новых клеток. В большинстве своём в этом участвуют уже эндотермические биохимические реакции, требующие тепло.
Сколько энергии (калорий, Джоулей, Пу) тратит человек (в том числе и чайник) в день можно найти здесь. Практически столько же энергии и должно содержаться в еде.
Думаю, это всё (и ещё чуть чуть), что должен знать каждый уважающий себя чайник.
Попробую простыми словами объяснить, что может произойти с реактором. Заранее прошу прощения у специалистов: ниже будут упрощения и допущения, не меняющие сути процесса.
Что вообще происходит в реакторе?
Каждый атом каждого делящегося элемента (урана, плутония и т.п.) содержит ядро. Рано или поздно это ядро самопроизвольно делится на два одинаковых. Вот так, было одно, а стало два. Причем, каждый из свежеполучившихся атомов испускает из себя нейтрон (на самом деле, два или три). Если нейтрон врежется в другой атом радиоактивного элемента, то ядро атома (внезапно!) поделится Это – ядерная реакция.
Сразу после деления, каждое из новополучившихся ядер испустит нейтрон, который, в свою очередь, заставит поделиться еще одно ядро. А потом еще и еще. Это – цепная ядерная реакция.
Как несложно заметить, если бы каждый нейтрон или хотя бы большая их часть обязательно врезалась в ядро, нарастание количества ядер и нейтронов, шло бы в геометрической прогрессии и поддерживалось бы само собой. Это называется неконтролируемой цепной реакцией или ядерным взрывом.
Но ядерная реакция – штука вероятностная. Вероятность попадания нейтрона в ядро атома зависит от нескольких факторов, основные из которых:
– Скорость нейтрона. Чем ниже скорость, тем выше вероятность попасть в атом.
– Количество делящегося вещества на единицу объема.
То есть, чтобы реакция была цепной, нам надо либо замедлить нейтроны, либо собрать в кучу много атомов делящегося вещества.
Количество вещества, которое надо собрать в одном месте для самоподдерживающейся реакции называется критической массой.
Но если взять природный уран и самосвалами ссыпать его в кучу, ничего полезного из этого не выйдет: чистого урана не существует, а есть лишь урановые руды, содержащие в себе уран в небольших количествах. Урана будет много, но он рассеян по большому пространству. Ничего не происходит.
Тогда замедлим нейтроны. Оказывается есть вещество, которое называется “замедлитель”. В нём скорость нейтрона существенно снижается. Замедлителем может быть графит, тяжелая вода и даже, после некоторых манипуляций руками, наша с вами обыкновенная H2O.
Еще есть вещество, называемое поглотителем. Классический поглотитель – кадмий. Нейтроны уходят в него, как в черную дыру. Если засунуть в нашу гору урана брусок кадмия, всё станет еще хуже: многие нейтроны погибнут, так и не найдя свой атом для деления.
Итак, реактор:
Возьмем немного делящегося вещества (например того же урана), добавим к нему замедлителя (воды) и поглотителя (кадмия). Внимание! Пошла реакция! Всё это снабдим автоматикой и механизацией: меньше воды, больше воды. Кадмиевые стержни вдвинуть в реактор, выдвинуть из реактора. Вот и управление реактором. Больше поглотителя – слабее реакция.
Комментарий от физика-реакторщика, сотрудника Курчатовского института: много-мало воды, это естественный процесс, называемый саморегуляцией. Когда вода нагревается, она расширяется, расстояние между атомами водорода, играющими основную роль в замедлении нейтронов, увеличивается и реакция замедляется.
Откуда же берется ток? Дело в том, что все эти частицы обладают огромной энергией. Столкновения, деления, снова столкновения… Энергия, как водится, уходит в тепло и корпус реактора сильно греется. Осталось сделать теплообменник: вода проходит через реактор, превращается в пар, пар крутит турбину, турбина крутит генератор, вот вам и ток. А вода конденсируется, охлаждается и снова в реактор.
Да-да, паровая машина. А вы что ожидали?
Сольем воду. Удалим замедлитель. Ой, а куда делась реакция? Кончилась. Нейтроны носятся как угорелые и никуда не попадают, вещества на кубометр маловато. Ничего и не происходит. Фиг вам, а не ядерный взрыв в реакторе.
Кстати, о ядерном взрыве. Ядерный взрыв – это неуправляемая самоподдерживающаяся цепная реакция. Чтобы её получить, надо сначала делящийся материал обогатить. Ну что бы в том же самом бруске содержалось не 2% урана, а все 90%. И не лоховского 238U, который, хоть тресни, никогда не даст самопроизвольного деления, а пацанского 235U. Итак, берем в каждую руку по бруску высокообогащенного урана весом в половину критической массы, размахиваемся и хренакс бруском по бруску! Осторожно, не попадите по пальцу и не забудьте вымыть руки с мылом. Шутка. Можете не мыть, ибо ваши руки будут распылены в атомную пыль: за десять в минус восьмой степени секунд в результате деления возникнет гигантское количество ядер, а вся накопленная тепловая энергия ломанется наружу. Вспышка, электромагнитный импульс, грибок, взрывная волна.
А как же Чернобыль?
А в Чернобыле и не было никакого ядерного взрыва. Вы паровую машину в детстве делали? А ожоги долго заживали? Такая вот паровая машина взорвалась и там. Скоординированными умелыми действиями горе-экспериментаторы спровоцировали резкий рост скорости ядерной реакции, резкое увеличение выделения тепла. Чпок и тепловой взрыв. Такой мощности, что крышу разворотило, а всё накопившееся в реакторе радиоактивное вещество выкинуло в воздух. Вот и вся авария.
Что происходит у Японцев?
Та же паровая машина. Только сломались насосы и вода не качается, а реактор греется. Потому, что реактор у них хитрый, так называемый водо-водяной. Там одна и та же вода и замедлитель и теплоноситель. И вот её сейчас надо куда-то девать. Вернее, воды там уже мало, сплошной пар, который греется и грозит сделать бум оболочке реактора. Можно его выпустить в воздух, так он, сцуко, радиоактивный – шутка ли, столько времени через реактор протекать (такая радиоактивность называется наведенной). Вот и стравливают по чуть-чуть, откуда и увеличение фона в тысячу раз.
Такие дела.
Большой апдейт
В комментариях возникло много вопросов, дополнений и уточнений.
Что там за стержни какие-то?
В любом реакторе есть два типа стержней (таких металлических цилиндров):
– тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ) – стержень собственно делящегося материала – урана или плутония. Это топливо для реактора.
– поглотитель – стержень из любого вещества, поглощающего нейтроны. Например Кадмия. Из поглотителей состоят управляющие элементы и аварийная защита. Введение поглотителя в активную зону реактора притормаживает реакцию. Аварийная защита предполагает экстренный сброс в активную зону всех имеющихся стержней поглотителя и полное глушение реактора.
ТВЭЛы располагаются либо в сборке из графита (чернобыльский реактор), либо в бассейне с водой (водо-водяной реактор). Поглотитель висит сверху и вводится внутрь реактора для управления, либо по срабатыванию аварийной защиты (в этом случае все стержни просто падают вниз).
Чернобыль-то будет?
Ну не Чернобыль. Гореть в реакторе нечему, вода вся испарилась, реакции не идет. Пар под высоким давлением расположен в прочном внутреннем корпусе реактора и постепенно стравливается через клапаны, вынося вместе с собой ряд радиоактивных веществ, способствующих повышению фона. Есть вариант разрыва корпуса от давления, но надо надеяться до этого не дойдет.
Почему реактор не заглушили сразу?
Реактор заглох самостоятельно, как только испарилась вся вода. Не мгновенно, но в течение небольшого времени. Сейчас остро стоит вопрос отвода тепла из реактора: насосы не качают, пар в теплообменники не поступает, активная зона не охлаждается. Это, как можно судить, основная проблема.
Как справедливо замечает olegart, реактор продолжает греться. Хоть реакция и не идет, накопленные в реакторе изотопы греются сами по себе.
Комментарий от физика-реакторщика, сотрудника Курчатовского института: уверен, что заглушен реактор был либо срабатыванием аварийной защиты, либо в штатном режиме. Но в ситуации отсутствия охлаждения и остаточного тепловыделения (греющиеся изотопы) это особой роли не сыграло.
- Дом и сад
- Green Living
- Источники энергии
- Основные компоненты домашней солнечной энергосистемы
By Rik DeGunther
Солнечные промежуточные фотоэлектрические (PV) системы не особенно сложны. Сначала идут панели, которые собирают солнечный свет и превращают его в электричество. Сигналы постоянного тока поступают в инвертор, который преобразует постоянный ток в сеть переменного тока, совместимую с сеткой (то, что вы используете в своем доме).В целях безопасности включены различные распределительные коробки, и все это подключается через провода и кабелепровод.
Энергия, вырабатываемая солнечной фотоэлектрической энергией, подключается к электрической сети вашего дома в главном блоке предохранителей.
Сохраняя это простым, платит. В целом, подавляющее большинство клиентов устанавливают простейшую систему на своих крышах, потому что это обеспечивает максимальную отдачу от инвестиций. Вы можете получить реальную фантазию с солнечным фотоэлектрическим, но затраты растут быстро. Вы можете выбрать «юбку» вокруг ваших солнечных панелей, например, чтобы скрыть нижележащие монтажные рамы и улучшить внешний вид, но вы доплачиваете за эту опцию, и производство страдает также из-за того, что панели работают при более высокой температуре (юбка предотвращает охлаждающие бризы).Придерживайтесь проверенного, испытанного в полевых условиях оборудования, которое настолько просто, насколько этого требует ваша ситуация, и вы добьетесь наилучшего возврата инвестиций.
Вот список основ фотоэлектрической системы:
Панели: фотоэлектрические панели , стоимость которых составляет от 2,40 долл. США за ватт до более 5 долл. США за ватт, – это самые большие расходы фотоэлектрической системы. Их размещение и монтаж влияют на производительность вашей системы больше, чем любой другой аспект работы.
Монтажное оборудование: Монтаж ваших фотоэлектрических панелей имеет решающее значение.Во-первых, вам нужно установить панели там, где они будут получать максимум солнечного света в течение года. Но более трудная проблема состоит в том, чтобы установить их с достаточной целостностью, чтобы они оставались на месте в течение 25 или более лет.
Преобразователи постоянного тока в переменный: Инверторы принимают низковольтные сильноточные сигналы от фотоэлектрических панелей и преобразуют их в 120 В переменного тока (или 240 В переменного тока), что напрямую совместимо с питанием от сети. Инверторы стоят около 0,70 долларов за ватт или около 2600 долларов за типичное применение.С точки зрения надежности они обычно являются слабым звеном в любой фотоэлектрической системе, поэтому качество является обязательным.
Гусеничные опоры: Гусеничные опоры механически перемещают фотоэлектрические панели в течение дня, чтобы они всегда были обращены к солнцу. Двухосевые трекеры изменяют как азимут, так и высоту, в то время как одноосные трекеры соответствуют только азимуту.
Разъединители: Разъединители имеют решающее значение, и их необходимо устанавливать в пределах легкой досягаемости.Каждый член вашей семьи должен знать, как отключить фотоэлектрическую систему по соображениям безопасности. Если в электрической системе вашего дома происходит какое-либо ненормальное поведение, сначала отключите солнечную систему.
Соединения проводки и блока предохранителей: Проводка, кабелепровод и соединения с главным блоком предохранителей вашего дома – это небольшие расходы на оборудование, но они составляют большую часть трудозатрат при установке фотоэлектрической системы.
Счетчики электроэнергии коммунального предприятия: Счетчики электроэнергии обычного типа способны вращаться в обратном направлении, но коммунальные компании обычно переходят на специальный цифровой счетчик при подключении к сети, поскольку большинство потребителей солнечной энергии переходят на структуру тарифов TOU (время использования), которая требует более разумной обработки, чем способное механическое устройство.
Об авторе книги
Рик ДеГюнтер является основателем компании Efficient Homes, занимающейся аудитом и консультированием в области энергетики. Он имеет степень бакалавра в области инженерной физики и две степени магистра в области прикладной физики и инженерных экономических систем. Рик также является автором энергоэффективных домов для чайников и альтернативных источников энергии для чайников . ,Energy for Dummies – подождите, но почему
Примечание: Этот пост является дополнением к посту «Почему мой ноутбук включен?» для тех, кто хочет стать тем, кто понимает энергию лучше, чем довольно хорошо, но все же не очень хорошо.
В 2014 году мы постоянно слышим такие слова, как чистая энергия, солнечная энергия, ископаемое топливо, выбросы углерода, цена на нефть и добыча нефти. И если вы похожи на меня, вы знаете, что значат некоторые из этих слов, но при этом вы смутно относитесь к другим.
Итак, вот небольшой обзор основных видов энергии в современном мире и немного о каждом.
Давайте начнем с того, что почти , а не , питает любое устройство, на котором вы читаете это (или используете для зарядки аккумулятора) –
Возобновляемая энергия
Возобновляемая энергия, которую иногда называют Зеленой энергией или Чистой энергией, теплая и нечеткая, и всем нравится держаться за руки и петь об этом песни. Это потому, что А) он использует ресурсы, которые по существу бесконечны, такие как вода, ветер или солнечный свет, или те, которые можно пополнять в человеческом масштабе времени, например, дерево, и Б) он наносит очень мало вреда окружающей среде, условно говоря ,
К сожалению, возобновляемая энергия является второстепенной частью уравнения энергии и, по-видимому, будет оставаться такой в течение длительного времени – проблема в том, что по сравнению с другими источниками энергии, возобновляемые источники энергии дороги или неэффективны для реализации, а страны на самом деле не так в ущерб их текущей производительности и глобальной конкурентоспособности по долгосрочным причинам, особенно если другие страны не делают этого вместе с ними (мы пытались все согласиться сделать это вместе – и это не сработало).Конечным результатом является то, что возобновляемые источники энергии составляют только 19% энергии в мире, а самые чистые и экологически чистые виды, о которых вы слышите больше всего, составляют всего около 1% мирового потребления энергии:
Давайте подробнее рассмотрим основные возобновляемые источники энергии, которые мы используем –
Биомасса
Энергия биомассы создается сжиганием живых или недавно живущих организмов или превращением их в топливо – общие примеры включают сжигание древесины или превращение кукурузы в этанольное топливо.
Когда люди говорят о чистой энергии, вы не часто слышите слова биомасса или биотопливо. Это потому, что он менее возобновляем и менее чист, чем другие чистые энергии. Но если вы собираетесь включить биомассу в категорию возобновляемых источников, она составляет большую часть возобновляемой энергии в мире.
Плохая новость заключается в том, что, в отличие от других видов возобновляемой энергии, биоэнергетика действительно увеличивает выбросы углекислого газа, часто требует большого количества почвы, а ее ресурсы не бесконечны, как солнце, ветер или вода. ,
ГЭС
Гидроэнергетика – это другая относительно выдающаяся возобновляемая энергия, на которую приходится почти 4% мировой энергии и более 8% электроэнергии в США. 1 Он работает, используя силу гравитации, помещая плотину перед водой, которая падает или устремляется вниз по течению. Когда вода проталкивается через плотину, она вращает турбину (большой пропеллер), которая вращает витки медного провода между магнитами – это генерирует электричество, которое вылетает в провода и в электрическую сеть.
Этот процесс вращения турбины для выработки электроэнергии лежит в основе большинства электростанций и является источником почти всего электричества, с которым вы когда-либо сталкивались.
Ветер
Энергия ветра, которая целиком используется для выработки электроэнергии, составляет около 0,5%, или 1/200 от мирового потребления энергии. Сверхчистый и безвредный вид энергии, энергия ветра быстро растет и в некоторых местах уже довольно велика (Дания вырабатывает более четверти своей электроэнергии от ветра).
Солнечная
Вы много слышите о солнечной энергии, но сейчас солнечная энергия покрывает лишь около 0,3%, или 1/300, или потребление энергии в мире (иногда в виде электричества, иногда в виде тепла). Тонна исследований и инноваций идет в области солнечных технологий, и это самая быстрорастущая возобновляемая энергия в мире. 2
Удивительно также, как мало земной поверхности нужно покрывать солнечными батареями для питания всего мира. Вот как мало (любезно предоставлено LAGI) 3 :
Геотермальная
Геотермальные электростанции используют силу природного пара, выходящего из горячей внутренней Земли, для вращения турбин и выработки электроэнергии (и, как и солнечная энергия, геотермальная энергия также часто используется для отопления).В настоящее время геотермальная энергия покрывает только около 0,2%, или 1/500 мировой потребляемой энергии.
Хорошо, хватит мягкого дерьма. Повышение интенсивности сейчас к тому, что может питать все, что вы читаете (но, вероятно, нет) –
Атомная энергия
Ядерная энергия использует огромную мощность ядерного деления – процесс расщепления тяжелых атомов, который выделяет энергию – для выработки электричества.
Ядерная энергия противоречива.Некоторые положительно оценивают это, 4 часто доходят до того, что относят его к категории возобновляемых источников энергии, и утверждают, что оно устойчиво и полезно для окружающей среды, поскольку снижает вредные выбросы. Другие считают, что эти люди глупы, 5 и что между катастрофическими авариями, захоронением вредных отходов, высокими затратами и повышенным риском распространения ядерного оружия и терроризма последствия ядерной энергетики следует рассматривать как плохие или худшие, чем у ископаемого топлива. энергия.
Случай с пессимистами был усилен в 2011 году, когда цунами обрушилось на Японию и привело к распаду атомной электростанции в Фукусиме, что привело к самой опасной ядерной катастрофе со времени ужасающей аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. После катастрофы на Фукусиме ряд стран решили сократить или запретить ядерную энергетику все вместе (Германия и Италия – два).
И в то время как эти ужасные бедствия приводят к огромным потерям и полностью раскрывают недостатки ядерной энергии, с течением времени ядерная энергия приводит к меньшему количеству погибших на единицу произведенной энергии, чем любой другой основной источник энергии (уголь, нефть, природный газ или гидроэлектроэнергия), и поскольку 1 кг урана-235 может генерировать в 2-3 миллиона раз больше энергии, чем 1 кг угля или нефти, не добавляя к нашей проблеме CO 2 , кажется, есть веская причина для дальнейшего изучения ядерной энергии.
По состоянию на 2011 г. ядерная энергия составляла 2,8% мирового потребления энергии, но более 8% энергии в США (все в форме электричества).
А теперь на плохих парней –
Ископаемое топливо
Несомненно, самый грязный из источников энергии, сжигание ископаемого топлива (уголь, нефть и природный газ) составляет 78% мирового потребления энергии (82% в США), и они, вероятно, ответственны за питание любого устройства Вы используете, чтобы прочитать этот пост.
Ископаемое топливо может быть зачтено за возможность промышленной революции, повышения качества жизни для масс путем роста среднего класса и продвижения мира в современность. Они также могут быть зачислены за 90 экологических катастроф, в том числе глобальное потепление, кислотные дожди, загрязнение воды, разливы нефти, рост рака легких, загрязнение окружающей среды и смог, и что белый медведь в видео очень печален, потому что его лед тает.
Вопрос: «Насколько вредны последствия сжигания ископаемого топлива, что это означает для будущего и что мы должны с этим делать?» это целый пост сам по себе, и один на другой раз.На сегодня давайте приятно проигнорируем все это и просто попытаемся понять, что такое ископаемое топливо и откуда оно.
Основная идея ископаемого топлива заключается в том, что уголь, нефть и природный газ – это все остатки древних организмов (в основном растений и в основном тех, кто был в каменноугольном периоде 300–360 миллионов лет назад), которые умерли и чья энергия была частично сохранена до того, как они разложились , После многих миллионов лет гибели под сильным жаром и давлением внутренней Земли эти организмы и их запасенная химическая энергия были преобразованы в ископаемое топливо – и они все еще находятся под землей.Теперь мы можем добывать их, чтобы приземлиться и сжечь, что высвобождает накопленную энергию (и выделяет много CO 2 в процессе). Большая часть электроэнергии и газа, которые мы используем, и почти вся энергия, которую используют наши автомобили и самолеты, поступает от сжигания ископаемого топлива. Люди в 2300 году будут рассматривать это время как эпоху ископаемого топлива в истории человечества.
Давайте проверим три больших вида ископаемого топлива:
Уголь
Уголь, черная осадочная порода, которая находится в подземных слоях, называемых угольными пластами, почти целиком используется для производства электроэнергии и является наиболее плодовитым материалом для этого.Поскольку уголь в изобилии и относительно дешево, мир переживает его тонну, но он также является худшим виновником выбросов CO 2 , выделяя примерно на 30% больше CO 2 , чем при сжигании нефти, и почти вдвое больше природного газ при выработке эквивалентного количества тепла. 6
США – это уголь, а Саудовская Аравия – нефтью, имея 22% мирового угля и большую часть любой страны. Китай, тем не менее, стал крупнейшим в мире потребителем угля – более из них угля, сожженного в мире в 2011 году, были сожжены в Китае. 7
Масло
Когда вы слышите, как люди говорят о нефти, они говорят о сырой нефти, также называемой нефтью – черной липкой жидкостью, обычно находящейся в глубоких подземных резервуарах. Когда сырая нефть добывается, она направляется на нефтеперерабатывающий завод, где разделяется, используя разные точки кипения, на ряд различных видов топлива и газов, наиболее заметным из которых является бензин (около 45% каждого барреля), но включая все, от струи и дизельное топливо для моторного масла в пропан, который вы используете для гриля, чтобы зажечь воск.В большинстве частей мира целью нефти является топливо для транспорта, а не для производства электроэнергии.
США являются крупнейшим потребителем нефти в мире, потребляя более 20% мировой нефти и почти вдвое больше, чем следующий по величине потребитель. США также являются одним из трех крупнейших производителей нефти в мире, наряду с Саудовской Аравией и Россией, которые добывают примерно одинаковое количество. Но у США едва ли есть большинство запасов нефти – это все на Ближнем Востоке:
Глядя на эту карту, 8 становится ясно три вещи:
1) Почему у саудовских принцев такие причудливые дворцы
2) Почему Саддам Хусейн так сильно хотел украсть Кувейт
3) Почему в Дубае есть такие вещи, как закрытый горнолыжный курорт, несколько сотен искусственных островов и самое высокое здание в мире
В целом Ближний Восток обладает более 60% мировых запасов нефти.
Еще одна интересная вещь – когда я посмотрел на изображение 9 реальных месторождений нефти и месторождений , меня поразило, насколько малы они были. Например, Иран почти полностью лишен нефти, но этого небольшого количества запасов на дальнем западном краю страны достаточно, чтобы сделать его второй самой богатой нефтяной страной в мире:
Мы говорили об обычной нефти, но есть также большие запасы «нефтеносных песков» – горных пород или шлама, которые содержат нефть – в Канаде и Венесуэле.Добывать эту нефть дорого и неудобно, но если / когда нормальная нефть начнет высыхать, мир, вероятно, получит доступ к этим дополнительным запасам.
Природный газ
Природный газ – это, по сути, газообразный метан, который находится в подземных карманах, а иногда и в сланцевых породах. Это газ, который разжигает вашу печь или нагревает вашу квартиру (если они не снабжены электричеством), а также является одним из основных источников электричества (он составляет около 20% электроэнергии в США).Природный газ находится на подъеме и в настоящее время составляет почти четверть мировой энергии.
Одна из причин, по которой он растет, заключается в том, что ученые нашли новый способ извлечения природного газа из Земли, называемый гидроразрывом пласта или «гидроразрывом», в котором смесь воды, песка и химикатов создает трещины в природном газе. богатый сланец и вытеснить газ. Этот метод был чрезвычайно эффективным, но он также спорный из-за некоторых серьезных экологических проблем – это видео хорошо объясняет.
Ископаемое топливо содержит всю историю захороненных останков Земли, и, в отличие от возобновляемых источников энергии, когда они исчезают, они исчезают навсегда (вновь созданные ископаемые виды топлива происходят так медленно, что их не считают «возобновляемым» ресурсом) ,
Так сколько осталось?
По данным Управления энергетической информации США, вот остальные доказанные запасы трех ископаемых видов топлива 10 :
- Уголь: 905 миллиардов метрических тонн – что составляет 4416 миллиардов баррелей (702.1 км 3 ) нефтяного эквивалента
- Нефть: 3740 миллиардов баррелей (595 км 3 ) – эта цифра включает все дополнительные запасы нефти в канадских и венесуэльских нефтеносных песках
- Природный газ: 181 триллион кубометров – что составляет 1 161 миллиард баррелей (184,6 км 3 ) нефтяного эквивалента
Сложив все это вместе, объем нефти и нефтяного эквивалента, который представляет общее количество остатков всех трех ископаемых видов топлива, составляет 1 481 км 900 40 3 . Это было бы кубом со стороной 11,3 км или 7 милями – он охватил бы большую часть Бруклина и содержал всех ископаемых видов топлива, оставшихся на Земле. Используя один и тот же метод «нефтяного эквивалента», каждый год мировое потребление ископаемого топлива составляет кубов со стороной около 2,4 км, или 1,516 миль – это прекрасно вписывается в верхнюю часть центра Манхэттена.
В какой-то момент в скором времени я углублюсь в концепцию наших оставшихся ископаемых видов топлива и того, сколько из них мы оставили.Но ключевой момент заключается в том, что этот 7-мильный куб нашего оставшегося ископаемого топлива прослужит нам всего около 80 лет, если мы будем использовать то же количество каждый год, двигаясь вперед, как мы используем сегодня. Пряный.
Наконец, вот отличное изображение 11 , в котором представлены все источники энергии, которые мы только что обсуждали, и их использование в США в 2012 году («квад» – это квадриллион БТЕ – годовой показатель потребления энергии в США в 95,1 года составляет чуть меньше пятая часть всего мира). Интересно посмотреть, сколько произведенной энергии будет потрачено впустую:
Источники
1.Управление энергетической информации США
2. Доклад о состоянии возобновляемой энергии за 2010 год, с. 15.
3. Инициатива Land Art Generator
4. Джеймс Дж. Маккензи. Обзор спора о ядерной энергии Артура У. Мерфи Ежеквартальный обзор биологии, Vol. 52, № 4, с. 467-468.
5. Стерджис, Сью. «Расследование: откровения о катастрофе на острове Три Майлз вызывают сомнения в безопасности атомной станции»
6. «Природный газ и окружающая среда»
7. Всемирный энергетический совет – Обзор энергетических ресурсов 2010
8.Статистический обзор BP на конец 2004 года
9. www.theglobaleducationproject.org
10. Мировые доказанные запасы нефти и природного газа, последние оценки
11. Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса – Блок-схемы
- Образование
- Наука
- Физика
- Как интерпретировать энергетические диаграммы в физике
Стивен Хольцнер, Дэниел Фанч Вонс
В физике потенциальная энергия объекта зависит от его положения. Валун имеет больше потенциальной энергии, когда он находится на вершине холма, чем когда он катится вниз. В вашем классе физики вас могут попросить интерпретировать или нарисовать энергетическую диаграмму .Энергетическая диаграмма показывает, как потенциальная энергия объекта зависит от положения, и рассказывает вам все о движении объекта.
Вот пример энергетической диаграммы для валуна:
Кривая потенциальной энергии показывает, сколько потенциальной энергии валун имеет в каждой позиции. Валун имеет большую гравитационную потенциальную энергию выше по склону, поэтому кривая также показывает форму холма.
Но что это за горизонтальная линия, проходящая прямо через диаграмму? Это общая энергия валуна.Если валун ненадежно сидит на вершине холма в x на вершине , его потенциальная энергия равна его полной энергии. Легкий ветерок подталкивает валун, и он начинает катиться по склону. Когда он достигает подножия холма в x , подножия , он имеет меньшую потенциальную энергию. Остальная часть его энергии – кинетическая энергия, и вы можете точно прочитать, сколько кинетической энергии имеет валун из диаграммы – кинетическая энергия – это просто расстояние между кривой потенциальной энергии и линией полной энергии.
Наблюдая, как валун катится по другому холму к вам, вы удивляетесь, как высоко валун будет катиться. Вы знаете, что валун остановится, когда его кинетическая энергия равна нулю или когда полная энергия равна потенциальной энергии. Вы идете к месту пересечения кривой потенциальной энергии и линии полной энергии и делаете еще один шаг в гору. Когда вы поворачиваетесь, вы видите, как валун замедляется, на мгновение останавливается прямо перед вами и откатывается назад вниз по склону. Уф!
Вот что вы должны помнить об энергетических диаграммах:
Общая энергия не меняется.Высота кривой потенциальной энергии – это потенциальная энергия объекта, а расстояние между кривой потенциальной энергии и линией полной энергии – кинетическая энергия объекта.
Объект развернется там, где пересекаются линия полной энергии и кривая потенциальной энергии.
Если вы запустите объект в другом месте или с другой начальной кинетической энергией, линия полной энергии может сместиться вверх или вниз. Кривая потенциальной энергии – это свойство объекта и того, с чем он взаимодействует.
Объект никогда не может находиться в месте, где кривая потенциальной энергии находится выше линии полной энергии.
Объект чувствует силу, тянущую его вниз по склону к месту с более низкой потенциальной энергией.
Об авторе книги
Стивен Хольцнер, доктор философии, был выпускником и преподавателем в MIT и Корнелле. Даниэль Фанч Вонс получил степень доктора философии по физике в Корнелле и преподает физику в течение девяти лет.
,Как растения получают свою энергию
- Образование
- Наука
- Биология
- Как растения получают энергию
Растения должны получать пищу в свои системы, чтобы получать энергию и продолжать жить, подобно животным. Растения создают энергию для использования животными, поэтому они должны пополнять свои питательные вещества. И растения дышат, в некотором роде. Они поглощают углекислый газ, который выделяют все животные, и выделяют кислород для всех животных.Довольно крутой дизайн, не правда ли?
Создание энергии из первоисточника энергии
Фотосинтез – это процесс, с помощью которого растения преобразуют энергию солнца. Это процесс, который позволяет растениям создавать органические молекулы, которые они используют в качестве топлива. Вот как это работает.
Молекулы хлорофилла, содержащиеся в хлоропластах, поглощают энергию в форме солнечного света. Некоторым растениям нужно больше солнечного света, чем другим, но всем нужно хотя бы немного.
Вместо того, чтобы поглощать кислород и выдыхать углекислый газ, как это делают животные, растения поглощают углекислый газ из атмосферы. Растения поглощают воду от земли до корней.
Во время фотосинтеза энергия солнца расщепляет молекулы воды на водород и кислород. Молекулы кислорода выделяются растением и выбрасываются в атмосферу. Молекулы АТФ создаются внутри растительной клетки. Эти реакции называются фотохимическими или световыми реакциями , потому что они требуют света для возникновения.
Ферменты на заводе затем катализируют комбинацию водорода и углекислого газа, чтобы создать углеродное соединение, которое называется , промежуточное соединение . Промежуточное соединение – это соединение, используемое для продолжения процесса создания другого соединения.
В растениях промежуточный продукт называется фосфоглицеральдегид (PGAL). PGAL продолжает производить глюкозу, которую растение использует в качестве топлива для выживания. Эти реакции называются реакциями углерод-фиксации (или темными реакциями , чтобы отличить их от светлых реакций, описанных выше), поскольку атомы углерода «фиксированы»; то есть они заключены в стабильные соединения, которые можно использовать целенаправленно, а не просто бесцельно плавать вокруг клетки.
Когда растение произвело больше глюкозы, чем нужно для поддержания жизни, оно объединяет молекулы глюкозы в более крупные молекулы углеводов, называемые крахмалом. Молекулы крахмала хранятся в больших вакуолях в растительных клетках. При необходимости растение может расщеплять молекулы крахмала для извлечения глюкозы для выработки энергии или для создания других соединений, таких как белки, нуклеиновые кислоты или жиры.
течет через ксилему и флоэму
Растения подвергаются фотосинтезу для производства энергии для себя (и, в конечном итоге, для людей).Свет и вода необходимы для выполнения этого процесса. Но как растения получают воду и свет в свои клетки?
Ткани, называемые ксилемой и флоэмой, обычно находятся вместе в так называемых сосудистых пучках . Оба типа тканей проводят вещества через корень и стебель растения. Ксилема проводит воду и минералы из почвы; флоэма «течет» молекулами сахара.
Все растительные клетки имеют клеточную стенку, но клетки в ксилеме имеют дополнительную клеточную стенку, чтобы придать им дополнительную прочность (помогает избежать выброса воды через ствол). Элементы сосуда – это специализированные ячейки в ксилеме, которые образуют колонны, называемые сосудами . Вода проходит через отверстия на концах каждого элемента сосуда и проходит через всю колонну сосуда.
Ткань флоэмы содержит ячейки, называемые сито-трубными элементами , которые соединяются в колонки, называемые сито-трубками . Каждый элемент ситовой трубки имеет пористое отверстие, через которое цитоплазма одного элемента ситовой трубки может «касаться» цитоплазмы следующего элемента ситовой трубки.Эта структура позволяет топливу, которое растение производит в листьях, проходить и питать остальную часть растения. Этот процесс называется транслокацией .
Транспортировка воды из клетки в камеру
Растения имеют два способа перемещения воды снаружи корня к внутренней части корня к ткани ксилемы и флоэмы. Вода может течь между клеточными стенками соседних клеток. Думайте об этой области как о коридоре. Или вода может течь между клетками через трубки, соединяющие цитоплазму каждой клетки, так же, как люди могут проходить через двери соседних комнат.
Вдохновение для транспирации
Транспирация – это технический термин для испарения воды из растений. Когда вода испаряется из листьев (или любой части растения, находящейся на воздухе), это создает напряжение в листьях и тканях ксилемы. Поскольку растения теряют воду через отверстия в листьях, называемые устьицами , они должны восстанавливать воду. Поэтому вдохновением для транспирации является потеря воды. Потеря среды, которая несет необходимые минералы, побуждает растение вытягивать больше воды из земли.
,Больше новостей
