Совершенно невозможно представить жизнь современных людей без электричества. Однако так было далеко не всегда. Активное использование электрического тока началось лишь в 20 веке, а до этого все ограничивалось опытами и исследованиями, проводимыми отдельными учеными из разных стран. Поэтому вопрос, когда появилось электричество не имеет однозначного ответа, поскольку первые понятия о нем возникли еще в 7 веке до нашей эры. Наблюдая за некоторыми физическими явлениями, греческий ученый и философ Фалес Милетский обратил внимание на то, что янтарь способен притягивать легкие мелкие предметы после его трения о шерсть. На этом уровне знания об электричестве приостановились на многие века.

Первые исследования и открытия

Знания в области электричества стали развиваться далее лишь в 15 веке. И если рассматривать электричество, кто создал его и ввел такое понятие, следует в первую очередь отметить английского физика Уильяма Гильберта (1544-1603). Этот ученый-естествоиспытатель и придворный врач по праву считается основоположником учения об электричестве и магнетизме. Благодаря Уильяму появились термины «электричество» и «электрический». В своем научном труде Уильям Гильберт аргументированно доказывает наличие у Земли магнитного поля.

Книга «О магните, магнитных телах и великом магните Земли» подробно описывает опыты, подтверждающие магнитные и электрические свойства тел. Все тела были разделены на электризующиеся с помощью трения и не электризующиеся. Было установлено, что каждый магнит обладает двумя неразделимыми полюсами. То есть, при распиливании магнита на две равные части, на каждой половинке вновь образуется собственная пара полюсов. Разноименные полюса притягиваются друг к другу, а одноименные, наоборот, отталкиваются в противоположные стороны. Во время опытов с металлическим шаром, взаимодействующим с магнитной стрелкой, ученым впервые было выдвинуто предположение о том, что Земля есть не что иное, как огромный магнит, а ее магнитные полюсы могут совпадать с географическими полюсами.

Электрические явления были исследованы ученым с помощью версора, созданного собственноручно, который стал первым своеобразным электроскопом. Понятия магнетизма и электричества разделились, поскольку магнитными свойствами обладают в основном металлические предметы, а электрические присущи многим веществам, входящим в особую категорию. В книге Уильяма Гилберта впервые определены понятия электрического притяжения, электрической силы и магнитных полюсов.

Опыты ученого через много лет решил повторить немецкий физик, инженер и философ из Магдебурга Отто фон Герике (1602-1686). Он изобрел специальные физические приборы, которые помогли не только подтвердить выводы Гилберта, но и подтвердить научные изыскания самого фон Герике. Лучшими доказательствами считаются ряд экспериментальных исследований, затрагивающих , которым до тех пор практически никто не интересовался.

Для подтверждения собственных изысканий и предыдущих опытов Уильяма Гильберта, фон Герике изобрел специальный прибор, позволяющий создавать электрическое состояние. В нем отсутствовал конденсатор для накопления электричества, производимого трением, поэтому данный прибор не в полной мере соответствовал понятию электрической машины. Тем не менее, он сыграл свою роль и благодаря ему история развития электричества получила новый толчок в нужном направлении.

Фон Герике открыл еще и эффект электрического отталкивания, который был ранее неизвестен. Для подтверждения данного эффекта был изготовлен большой шар из серы, сквозь который продевалась ось, приводившая его в движение. В процессе вращения он натирался сухой рукой, что вызывало электризацию шара. В ходе эксперимента было замечено, что тела вначале притягиваются к нему, а затем отталкиваются. Кроме того, было видно, как оттолкнувшуюся пушинку притягивают другие тела. В процессе исследования наблюдались и другие эффекты, подтверждающие общие характеристики и свойства электричества, известные в то время.

В дальнейшем электрическая машина фон Герике была усовершенствована немецкими учеными Бозе, Винклером, английским физиком Хоксби. С ее помощью в 18 и 19 веках удалось сделать массу новых открытий в теории и практике электричества.

Великие открытия 18-19 веков

Исследования в области электричества были успешно продолжены другими учеными. Так в 1707 году французский физик Дю Фей обнаружил разницу между электричеством, получаемым от трения о разные материалы. Для экспериментов использовались круги из стекла и древесной смолы.

В 1729 году английскими учеными Греем и Уилером было установлено, что отдельные виды веществ способны пропускать сквозь себя электричество. Именно с их открытия все тела начали разделяться по типам и называться проводниками и непроводниками электричества. В этом же году голландский физик Мушенбрук из Лейдена сделал грандиозное открытие. В ходе опытов со стеклянной банкой, закрытой с двух сторон листами станиоля, было установлено, что такой сосуд способен накапливать электричество. По месту проведения эксперимента данный прибор был назван лейденской банкой.

Большой вклад в науку внес американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин. Он доказал теорию совместного существования положительного и отрицательного электричества, объяснил процессы, происходящие во время зарядки и разрядки лейденской банки. Было установлено, что свободная электризация обкладок этого прибора может происходить под действием разных электрических зарядов. Бенджамин Франклин много времени уделял изучению атмосферного электричества и доказал с помощью громоотвода возникновение молнии от разности электрических потенциалов.

В 1785 году французским ученым Шарлем Кулоном был открыт закон, описывающий электрическое взаимодействие между точечными зарядами. Открытие точного физического закона произошло без сложного лабораторного оборудования, с помощью лишь стальных шариков. Для определения расстояния и силы взаимодействия использовались такие же крутильные весы, как и при исследованиях сил тяготения между двумя телами. Ученый не пользовался абсолютной величиной электрических зарядов, он просто брал два одинаковых заряда или неодинаковые, но с заранее известной разницей их величины.

Важное открытие в области электричества было сделано итальянским ученым Алессандро Вольта в 1800 году. Этим изобретением стала химическая батарея, состоящая из круглых серебряных пластинок, переложенных кусками бумаги, предварительно смоченных соленой водой. Химические реакции, возникающие в батарее, способствовали регулярному вырабатыванию электрического тока.

В 1831 году знаменитый английский физик Майкл Фарадей открыл явление , и на ее основе первым в мире изобрел электрический генератор. С именем Майкл Фарадей связаны понятия электрического и магнитного поля, изобретение простейшего электродвигателя.

Вся история электричества была бы неполной без выдающегося изобретателя Николы Тесла, работавшего на рубеже 19-20 веков и значительно обогнавшего свое время. Свои исследования в области магнетизма и электричества он постоянно переводил в практическую плоскость. Приборы, созданные гениальным ученым, до сих пор считаются уникальными и неповторимыми.

В течение всей своей жизни, посвященной изучению возможностей электричества, Тесла зарегистрировал множество патентов, сделал открытия, ставшие прорывом в электротехнике. Большинство изобретений и открытий, так или иначе до сих пор используются в повседневной жизни. Из наиболее известных работ следует отметить вращающееся магнитное поле, позволяющее использовать переменный ток в электродвигателях без преобразования в постоянный ток. Также Тесла создал двигатель переменного тока, на основе которого в дальнейшем был создан генератор переменного тока. Эти и другие открытия успешно использовались во многих технических решениях.

Ученых, сделавших весомый вклад в развитие науки об электричестве, можно перечислять очень долго. В завершение хочется отметить Георга Ома, который в ходе экспериментов вывел основной закон электрической цепи. Благодаря Ому появились такие термины, как электродвижущая сила, проводимость, падение напряжения и другие. Не менее известен Ампер Андре-Мари, придумавший для определения направления тока на магнитную стрелку. Ему принадлежит и конструкция усилителя магнитного поля, представляющего собой катушку с большим количеством витков. Эти и другие ученые много сделали для того, чтобы человечество в полной мере пользовалось теми благами, которые дает электричество.

Вклад российских ученых в развитие энергетики

Основы теплоэнергетики как науки были заложены М.В. Ломоносовым в середине XVIII века. Созданная им кинетическая теория теплоты и четко сформулированные законы сохранения массы и энергии явились научными предпосылками для решения проблемы превращения теплоты в механическую работу.

В шестидесятых годах XVIII столетия (1763 г.) русский теплотехник И.И. Ползунов исходя из глубокого изучения имевшихся немногочисленных паро-атмосферных насосных машин воплотил в построенной им паровой машине идею универсального теплового двигателя. Им впервые была построена двухцилиндровая паровая машина, впервые применен автомат питания и построен для получения пара котел собственной конструкции.

В конце XVIII века выдающийся ученый - академик В.В. Петров, известный открытиями в области электричества, провел обширные эксперименты с процессами горения, способствовавшие краху лженаучной теории флогистона.

Ученый И.П. Алымов (1864 г.) исследовал природу естественной тяги в паровых котлах и предложил применение искусственной тяги.

В конце XIX века (1831 – 1895) И.А. Вышеградский развил теорию регулирования работы парового котла, предложил формулу расчета скорости изменения давления при растопке котла и создал основы общей теории регулирования паровых котлов.

В начале XX века (1907 г.) ученый Н.П. Петров на основе теории теплопроводности и теплопередачи проанализировал условия теплопередачи в котлах, дал рекомендации по конструированию котлов и впервые изложил основы теории циркуляции в паровых котлах.

В 1905 г. Гриневецкий, продолжив работу Н.П. Петрова, разработал графический метод расчета циркуляции в паровом котле.

К.В. Кирш, совместно с Гриневецким создал в Московском высшем техническом училище первоклассную лабораторию паровых котлов по изучению методов сжигания местных топлив и антрацитов, а также явился первым организатором Всесоюзного теплотехнического института в Москве (ВТИ).

В начале XX века М.В. Кирпичев своими работами внес значительный вклад в область теории теплового моделирования и теплового расчета котла. А.С. Предводителев провел глубокое изучение процессов горения углерода и создал теорию горения углерода.

В первой половине XX века многие российские ученые работали над созданием новых, прогрессивных конструкций котельных агрегатов. Л.К. Рамзин обогатил науку и технику в области различных технических разработок. В результате им создан первый в мире промышленный прямоточный котел.

Г.Ф. Кнорре разработал теорию циклонного сжигания и, изучив топочные процессы и устройства, создал циклонную топку. В области конструирования топок работает целая плеяда русских конструкторов. Среди них инженер В.Г. Шухов, ставший почетным членом Академии наук, создавший прогрессивную для того времени конструкцию котлоагрегата. Макарьевым предложена конструкция топки для сжигания фрезерного торфа без его измельчения. А.А. Шершнев создал первую в мире топку для сжигания фрезерного торфа во взвешенном состоянии. Перечень известных ученых, конструкторов, изобретателей можно продолжить. Перечисленные исследования и изобретения дают представление об объеме вклада наших ученых в развитие теплоэнергетики.

В настоящее время теоретические исследования и практическое их внедрение осуществляются нашими центральными научно - исследовательскими институтами, такими как Всесоюзный теплотехнический институт (ВТИ, г. Москва) и его филиалы Уральский (г. Челябинск), Сибирский (г. Красноярск), Центральный котлотурбинный институт (ЦКТИ г. Санкт - Петербург), энергетический институт им. Кржижановского (г. Москва) и др.

Разработкой новых конструкций паровых котлов занимаются конструкторские отделы при котлостроительных заводах, поддерживающие тесную связь с научно - исследовательскими институтами. В настоящее время паровые котлы изготавливают в России на следующих заводах: Таганрогский котлостроительный завод (ТКЗ), Подольский машиностроительный завод, Барнаульский котлостроительный завод (БКЗ), Бийский котлостроительный завод (котлы малой мощности).

Общие положения работы теплогенерирующих установок

При сжигании органического топлива горючие химические элементы (углерод, водород, сера), входящие в состав топлива, соединяются с кислородом воздуха, выделяют теплоту и образуют продукты сгорания (двуокись углерода, водяные пары, сернистый газ, окислы азота). От продуктов полного сгорания органического топлива тепловая энергия передается рабочему телу, которым обычно служит вода, сжатая до давления, выше атмосферного. Для превращения химической энергии топлива в тепловую энергию существует комплекс устройств, называемых котельной, или теплогенерирующей установкой.

Котельной установкой называют комплекс устройств и механизмов, предназначенных для производства тепловой энергии в виде водяного пара или горячей воды. Водяной пар используется для технологических нужд промышленных предприятий и получения электроэнергии, в сельском хозяйстве, а также для нагрева воды, направляемой на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Горячую воду используют для отопления производственных, общественных и жилых зданий, а также для коммунально-бытовых нужд населения.

В котельную установку необходимо подать некоторое количество топлива и окислителя (воздуха); обеспечить сгорание топлива и отдачу теплоты от продуктов сгорания топлива рабочему телу и удалить продукты сгорания топлива; подать рабочее тело – воду, сжатую до необходимого давления, нагреть эту воду до требуемой температуры или превратить ее в пар, отделить влагу из пара, а иногда и перегреть пар, обеспечив надежную работу всех элементов установки.

Для осуществления перечисленных процессов котельная установка должна включать в себя теплогенератор – паровой или водогрейный котельный агрегат (котел), хвостовые поверхности нагрева (водяной экономайзер, воздухоподогреватель, пароперегреватель), горелочные устройства, а также различные дополнительные устройства. Производительность теплогенератора определяется количеством теплоты или пара, получаемого в процессе сжигания в агрегате органического топлива.

На рис. 1.1 и 1.2 изображен план и продольный разрез котельной, работающей на природном газе или жидком топливе.

Рис. 1.1. План котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Рис. 1.2. Продольный разрез котельной с двумя котлами ДКВР-4-13

Радиационные поверхности нагрева размещены в топочной камере и воспринимают теплоту от продуктов сгорания топлива, одновременно защищая стены топки от прямого воздействия излучающей среды. Конвективные поверхности нагрева установлены за топкой, в газоходах котла. К конвективным или хвостовым поверхностям нагрева также относят пароперегреватели, водяные экономайзеры, контактные теплообменники, воздухоподогреватели, которые предназначены для снижения потерь теплоты с уходящими топочными газами, увеличения КПД котельного агрегата или установки и в конечном итоге для снижения расхода топлива.

Котельная или теплогенерирующая установка также включает в себя: горелочные устройства для подачи и подготовки топлива к сжиганию; дутьевой вентилятор для нагнетания воздуха, необходимого для горения топлива; дымосос для удаления продуктов сгорания; дымовую трубу для отвода дымовых газов; оборудование для химической очистки воды от вредных примесей и деаэрации; питательные насосы для увеличения давления воды и подачи ее в котельный агрегат. При сжигании твердого топлива в котельных, кроме того, имеются системы шлако- и золоудаления для удаления очаговых остатков топлива, а также золоуловители – отделяющие золу из дымовых газов. Все эти устройства размещаются в специальном здании, называемом котельной , включающей в себя котельные установки, а также помещения для различных вспомогательных служб и мастерских.

Рис. 1.3. Технологическая схема производственно-отопительной котельной:

1-воздухозаборный короб; 2-паросборный коллектор; 3-редукционная установка; 4-паропровод к бойлеру; 5-деаэратор; 6-пароводяной бойлер; 7-потребитель; 8-сетевой насос; 9-система химической подготовки воды; 10-подпиточный насос; 11-охладитель деаэрированной воды; 12-дымовая труба; 13-питательный насос; 14-подогреватель сырой воды; 15-дымосос; 16-расширитель непрерывной продувки; 17-водяной экономайзер; 18-насос; 19-трубопровод непрерывной продувки; 20-конвективные поверхности нагрева; 21-пароперегреватель; 22, 26-нижний и верхний барабаны; 23-дутьевой вентилятор; 24-горелка; 25-топка котельного агрегата; 27-ГРП котельной; 28-мазутохранилище; 29-фильтр; 30-насос.

Производственно-отопительная котельная, предназначена для выработки отопительным котлом пара с необходимыми параметрами качества, который используется технологическими потребителями, а также для выработки горячей воды для обеспечения систем отопления, вентиляции, кондиционирования и горячего водоснабжения.

Система отопления в котельной обеспечивает заданный тепловой режим в помещениях в холодное время года, компенсируя теплопотери через наружные ограждения зданий.

Система вентиляции в котельной создает требуемую чистоту воздуха в рабочей зоне производственных зданий, необходимый воздушный и тепловой режимы в общественных зданиях путем организации воздухообмена в помещениях.

Система кондиционирования воздуха в котельной применяется для создания в помещении микроклимата, удовлетворяющего повышенным санитарно-гигиеническим или технологическим требованиям, путем обеспечения строго заданных температуры, влажности, подвижности и чистоты воздуха в рабочей зоне.

Система горячего водоснабжения в котельной предназначена для подогрева и транспортирования воды к местам водоразбора на хозяйственно-бытовые или производственные нужды.

Теплотехнологическое оборудование в котельной является потребителем тепловой энергии в виде подогретой воды или водяного пара и включает в себя как специальные теплопроводы, так и разные теплообменные аппараты.

Природный газ в отопительном котле по газопроводу поступает на территорию предприятия в газорегуляторный пункт (ГРП) 27 (Рис. 1.3) или газорегуляторную установку (ГРУ), где давление городского газа снижают до рабочего и поддерживают его на заданном уровне. Из ГРП газ подается к горелкам 24 котельного агрегата.

Устройства для снижения давления газа перед котельной, магистрали для отвода газа и разводка трубопроводов в котельной должны быть выполнены в соответствии с указаниями «Правил безопасности в газовом хозяйстве» Госгортехнадзора.

Вода, предназначенная для подачи в паровые и водогрейные котлы или в тепловые сети, должна удовлетворять ряду технических, санитарных и экономических требований. В случае поступления воды в котельную из городского водопровода обработка сводится к ее умягчению и снижению щелочности в специальных фильтрах, а при использовании воды из открытых водоемов к этому добавляется еще и очистка от взвешенных веществ.

До поступления в устройства для химической очистки вода должна быть нагрета в теплообменниках. Загрязненный конденсат, возвращаемый от технологических потребителей, также подвергается очистке. Подготовленные тем или иным способом вода и конденсат направляются в устройства (деаэраторы) для удаления из них растворенных газов. После деаэраторов с помощью питательных насосов вода направляется в котельный агрегат или подпиточными насосами в тепловые сети.

В промышленных котельных с паровыми котлами, как правило, используются центробежные насосы с электрическим приводом и с приводом от паровой турбины. Для подпитки водой тепловых сетей, когда в качестве источника теплоснабжения установлены стальные водогрейные котлы, применяются центробежные насосы, обычно с электрическим приводом. В небольших котельных иногда для подачи питательной воды используют поршневые паровые насосы или инжекторы.

Отопительный котел имеет топку (25) с расположенными в ней испарительными поверхностями нагрева (кипятильными трубами), верхний (26) и нижний (22) барабаны, конвективные поверхности нагрева (20), пароперегреватель (21), водяной экономайзер (17).

Воздух в отопительном котле, необходимый для сжигания газа, забирается из верхней части котельной и по воздухозаборному коробу (1) поступает на вход дутьевого вентилятора (23), откуда под давлением подается в горелки (24). Продукты горения проходят последовательно через все теплоиспользующие элементы и с помощью дымососа (15) выбрасываются в дымовую трубу (12).

Пар в отопительном котле поступает в общий сборный коллектор (2), откуда направляется к технологическим потребителям. Часть пара после снижения давления в редукционной установке (3) подается в деаэратор (5), где происходит удаление из питательной воды растворенных в ней агрессивных газов для предотвращения коррозии поверхностей нагрева.

Для получения горячей воды, расходуемой на технологические нужды и теплоснабжение, в котельной установлен пароводяной бойлер (6). Пар в бойлер поступает из общего паросборного коллектора (2) по специальному паропроводу (4). Сетевая вода сетевым насосом 8, установленным на обратной линии, подается для нагрева в бойлер, из которого поступает в прямую линию системы теплоснабжения к потребителям (7) теплоты. Конденсат пара из бойлера поступает в деаэратор 5. Подпитка тепловой сети осуществляется подпиточным насосом (10), забирающим воду из деаэратора, общего для системы теплоснабжения и питания котла. Для уменьшения солесодержания котловой воды из барабана (26) по трубопроводу (19) производится непрерывная продувка.

Вода в отопительном котле направляется в расширитель непрерывной продувки (16), где в результате снижения давления вскипает. Образующийся при этом пар поступает в паровую линию к деаэратору, а горячая вода - в подогреватель сырой воды (14), которая насосом (18) подается в систему 9химической подготовки воды. Химически очищенная вода перед поступлением в деаэратор подогревается в охладителе 11 деаэрированной воды. Деаэрированная вода питательным насосом 13 направляется в водяной экономайзер (17) котла.

Теплогенераторы с давлением выше 0,07 МПа (0,7 кгс/см 2) и температурой выше 115 °С подлежат регистрации в государственной организации, контролирующей правильность конструкции котлоагрегата, соответствие установленным правилам и нормам оборудования и здания котельной и соблюдение обслуживающим персоналом Правил устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов Госгортехнадзора РФ. Размеры зданий котельных, материалы, из которых они выполняются, проходы между стенами и оборудованием, а также расстояния до ферм и перекрытий определяются Правилами и нормами Госгортехнадзора РФ.

Эффективность работы котельных во многом определяется правильностью выбора метода сжигания топлива, совершенством оборудования и приборов, своевременностью и качеством проведения пуско-наладочных работ, квалификацией обслуживающего персонала и др. Безопасность, надежность и экономичность работы котельных установок и теплоэнергетического оборудования зависят от степени подготовки обслуживающего персонала, правильности выполнения производственных и должностных инструкций.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

I. История развития энергетики

1.1 Энергия и энергетика

1.2 История развития энергетики как науки

1.2.1 Общая энергетика

1.2.2 История развития вторичной энергетики

1.2.3 Электроэнергетика как самостоятельная отрасль

1.3 Развитие энергетики в России

II. Современные проблемы энергетики

2.1 Ситуация в мире

2.2 Пути решения

Заключение

Список литературы

Введение

Предметом работы является энергетика. Целью данной работы является изучение истории развития энергетики (как науки, так и отрасли народного хозяства).

Энергетику для предметного рассмотрения выдрала потому, что в современной истории это наиболее актуальная тема для Мира. Актуальность ее затрагивает как экономические процессы, так и политические, научное значение так же велико, великие умы Мира и разных национальностей борются за то, чтоб найти источники энергии с максимальным КПД, возобновляемые и не приносящие вреда окружающей среде.

Поставленная цель, ставит решение следующих задач: рассмотрения понятия энергии, энергетики; развитие техники; история развития энергетики; ознакомление с видами энергии и энергетики; выявить значение энергетики для современной науки, для мира в целом.

Энергетика была, остается, и на ближайшую перспективу будет оставаться основой экономического развития стран. Подтверждением этого является четко выраженная мировая тенденция роста энергопотребления, особенно в развивающихся странах.

Знание истории развития науки и техники, этого важнейшего направления деятельности любого государства, позволяет правильно оценить существующую обстановку в энергетической отрасли, учесть опыт предыдущих поколений и развивать отрасль с учетом этих факторов.

Развитие энергетики есть мощная сила, которая влияет на жизненный уровень людей, изменяет характер общества, является причиной социальных перемен и направляет общественное развитие.

Энергия - одно из чаще всего обсуждаемых сегодня понятий; помимо своего основного физического (а в более широком смысле - естественнонаучного) содержания, оно имеет многочисленные экономические, технические, политические и иные аспекты.

Цивилизации нужна энергия, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных источников (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах-размножителях плутоний. Практически неисчерпаемы запасы термоядерного топлива - водорода, однако управляемые термоядерные реакции пока не освоены и неизвестно, когда они будут использованы для промышленного получения энергии в чистом виде, т.е. без участия в этом процессе реакторов деления.

Ключевой проблемой экономики стран является необходимость повышения энергоэффективности.

Остаются два пути: строгая экономия при расходовании энергоресурсов и использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Энергетика является исключительно капиталоемкой отраслью с большим инвестиционным циклом. Это обстоятельство обуславливает необходимость поиска «длинных» денег в развитие энергетики, использования научно-технических достижений и, как следствие, подготовка перехода к энергетике будущего.

Задача достижения качественно нового состояния энергетики диктует жесткие требования к выбору мер государственного регулирования и частно-государственного партнерства, взаимной ответственности всех участников процесса, что должно обуславливать своевременную интеграцию достижений (как страны, так и мира в целом) в энергетический комплекс.

I. История развития энергетики

История воспитывает и формирует человека, она великий учитель человека и общества.

Изучение истории имеет практическое значение, так как его итоговые выводы подводят нас вплотную к практическим потребностям текущего момента.

История - исследование, совокупность фактов, событий, относящихся к прошедшей жизни человечества, какой-то отрасли науки или техники, объекта, культуры и т. п. Это память о прошлом, о выдающихся событиях, людях. Понятия «история», «исторический факт» включают в себя не только прошедшие события, но и то, что имеет отношение к человеку, к его внутреннему миру.

Развитие энергетики и техники связано с работами очень многих людей: гениев, изобретателей, любознательных людей, ученых - неравнодушных, мыслящих, трудолюбивых, нравственно богатых людей.

Проникаясь историческим чувством, опираясь на духовный и нравственный опыт веков, человек исподволь вырабатывает в себе персональную ответственность за все прошедшее и происходящее в мире. В нем укрепляется чувство нравственного долга, которое является ядром истинной личности.

Материальная жизнь человечества связана с двумя основными началами - веществом и энергией. Поэтому все техническое творчество человека на всех этапах развития общества сводилось, по существу, к видоизменениям и превращениям как вещества, так и энергии.

1.1 Энергия и э нергетика

Понятие «энергия» в его теперешнем смысле возникло около 120 лет назад, хотя сама сущность использовалась человеком с самых ранних этапов его осмысленного существования.

Энергия (от греч. energeia -- действие, деятельность) - способность тел (существ) совершать работу. Это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия связывает воедино все явления природы. Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; она только может переходить из одной формы в другую. В соответствии с различными формами движения материи рассматривают различные формы энергии: тепловую, механическую, кинетическую, электромагнитную, ядерную и др.

И все же стоит признать, положа руку на сердце: устойчивых представлений о смысле слова «энергия» в умах большинства людей как не было, так и нет. И неудивительно. Нашему разуму гораздо легче и проще воспринять представления о строении вещей, нежели о силах, приводящих их в движение. Однако о существовании таких таинственных сил человек, безусловно, знал еще в глубокой древности. Мифология объединила их общим понятием «Дух» и отнесла к компетенции богов. Первой попыткой человека отнять у бессмертных власть над этими силами было укрощение огня. Создание движущихся машин и механизмов позволило лучше понять природные явления, вызывающие перемещение объектов, что привело в итоге к формулированию научных концепций относительно энергии и энергетики в целом.

В самом деле, основа всей нашей цивилизации - топливо, вещества способные выделять энергию. Следуя «жизненной логике» мы не минуемо приходим с сопоставлению понятий энергии и работы.

Энергетика, энергетическая наука -- наука о закономерностях процессов и явлений, прямо или косвенно связанных с получением, преобразованием, передачей, распределением и использованием различных видов энергии, о совершенствовании методов прогнозирования и эксплуатации энергетических систем, повышении кпд энергетических установок и уменьшении их экологического влияния на природу.

Энергетические технологии - наука об энергетике, область технических наук , комплекс технологий, используемых в процессе получения, передачи и использования видов энергии и энергетических ресурсов.

Наука об энергетике изучает законы и методы преобразования потенциальной энергии природных энергетических ресурсов в виды энергии, используемые в деятельности человека, создание новых и совершенствование существующих средств преобразования. В более узком смысле эта наука, основываясь на системном методе исследований, изучает закономерности, объективные тенденции и оптимальные пропорции развития энергетики как единого целого; формирует концепцию оптимального управления энергетикой; изучает комплексные проблемы энергетики, включая её влияние на окружающую среду, проблемы развития научно-технического прогресса в энергетике.

1.2 История развития энергетики как науки

энергия энергетика

Наука в каждый рассматриваемый момент времени представляет собой итог - совокупность знаний о природе, обществе, мышлении, накопленных в ходе общественно-исторической жизни людей.

В истории человечества наблюдаются четыре стадии познания природы.

Первая стадия начинается с древнейших времен (Архимед, Фалес Милетский и др.) и заканчивается примерно XV в. В ней формируется синкретическое, то есть недетализированное представление об окружающем мире; но уже в XIII-XIV веках зарождаются идеи и догадки, ставшие началом становления естественных наук.

Вторая стадия - XV-XVI в.в. - называется аналитической, поскольку в этот период мышление начинает ориентироваться на расчленение понятий и выделение частностей, что привело к возникновению и развитию наук: астрономии, физики, химии, биологии, и других.

Третья стадия - XVII-XX в.в.; ее называют синтетической. В это время происходит постепенное воссоздание целостной картины природы на основе ранее накопленного опыта.

Четвертая стадия - конец XX в., начало XXI в. Здесь начинает формироваться интегрально-дифференциальный подход к познанию природы, то есть рассматривается единая наука о природе. Вселенная, Жизнь, Разум - трактуются как единый, но очень многогранный объект естествознания.

Прогноз дальнейшего - ведущая роль в дальнейшем познании природы принадлежит синтезу знаний, интеграции наук, в центре которых будет находиться человек.

1.2.1 Общая энергетика

Энергия, даже будучи еще не определенной, конкретно, предполагает тесную взаимосвязь с веществом. Кинетическая энергия возникает при перемещении вещества в пространстве, потенциальная энергия, это по сути, энергия состояния все того же вещества.

Над идеей сохранения вещества вероятнее всего начали задумываться натурфилософы Древней Греции во времена легендарного Левкиппа и его гениального ученика Демокрита, в V в до н.э. Гипотеза предполагала, что структурные элементы не могут появляться из ничего и исчезать в никуда.

Демокрит говорил: « Начало Вселенной - атомы и пустота, все же остальное существует лишь в мнении. Миров бесчисленное множество, и они имеют начало, и конец во времени. И ничего не возникает из небытия, и не разрешается не бытиё. И атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во Вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последнее суть соединения некоторых атомов. Атомы же не поддаются никакому воздействию, неизменяемы и неизменяемы в следствии твердости.

За тем, люди надолго позабыли гениальных греков, но в своей жизнедеятельности постоянно использовании свойства энергии в преобразовании из одного вида в другой.

С древнейших времен люди нуждались в силе, в двигателях, которые помогали бы выкорчевывать деревья, приводили бы в действие приспособления для подачи воды на поля, пахали землю, вращали жернова, мелющие зерно и т.п.

В странах Древнего Востока, в Египте, Индии, Китае для этой цели уже в 3-м тыс. до н.э. использовались животные и рабы. Затем на смену живым двигателям пришло водяное колесо.

В 3-м тысячелетии до н.э. люди использовали паруса для движения лодок, но только в VII в. н. э. персы изобрели ветряную мельницу с крыльями Началась история ветряных двигателей. Водяные колеса и ветряные мельницы вплоть до XVII века являлись основными типами двигателей.

В конце XVII - начале XVIII веков в Италии, Франции, Англии, России, Испании и других государствах делались неоднократные попытки создать двигатель, не зависящий от движущейся воды рек и ветра. Идея использования пара для создания двигателя возникла благодаря размышлениям и опытам древних мыслителей (таких как Архимед 287 - 212 гг. до н.э, Герон из Александрии еще в 70-е гг. н.э. изобрел простейшую паровую турбину - эолипил Герона).

Первые существенные достижения в фундаментальных науках после мудрой и просвещенной древности связывают с Эпохой Возрождения, которая подарила миру таких гениев, как Леонардо да Винчи, Исаак Ньютон, Галилео Галилей, Рене Декарт и многих других представителей рода человеческого.

Одним из таких гениев естествознания, нашим соотечественником, Михайло Васильевичем Ломоносовым (1711-1765) была конкретизирована идея сохранения вещества. В 1745 году он опубликовал работу «Размышления о причинах тепла и холода», в которой в общем виде сформулировал закон сохранения энергии. Это было за 18 лет до подобных опытов француза Лавуазье, которому мировая наука приписала открытие закона сохранения материи. Ломоносов впервые дал правильное объяснение теплоте, как движению мельчайших частиц - корпускул.

Ученые, изобретатели, гениальные самоучки, механики продолжали работать над устройством и совершенствованием паровых машин и их применением, имея уже какое-то представление о теплоте. Джеймс Уатт (1736-1819), английский механик, создал паровую машину двойного действия, рабочий ход поршня в ней производился не атмосферным давлением, а давлением пара.

Во второй половине XVIII в. Устройство паровой машины было отработано, она нашла широкое применение в промышленности крупных стран. В честь Д. Уатта единица мощности была названа “Ватт”.

В 1798 г Томсон, ставший за научные труды графом Румфордом, доказал, что причиной выделения тепла, т.е возникновения тепловой энергии, при высверливании ствола является не теплород, а механическое перемещение сверла относительно ствола, сопровождаемое сильным трением. Румфорд пришел к мысли, что теплота является формой движения. Научная мысль, крутившаяся по спирали от Демокрита до Ломоносова вернулась на круги своя, обретя уже количественные характеристики о преобразовании механической энергии в тепловую.

Французский ученый Сади Карно (1796-1832) в 1824 г. разработал основы теории паровых машин - циклы Карно. Он установил, что, чем больше разность температур подводимого и отводимого тепла у теплоносителя, тем выше эффективность тепловой машины. Со времен С. Карно тепловые (паровые, газовые и др.) машины стали развиваться в направлении повышения параметров теплоносителя - температуры и давления.

Очередной переворот в физике в виде закона сохранения и превращения энергии совершили: врач Майер, врач Гельмгольц, пивовар Джоуль.

Майер утверждал: « Тепло есть сила, оно может быть превращено в механический эффект». Свою идею о сохранении и преобразовании энергии настойчивый Майер опубликовал в химическом журнале, который мало кто из физиков читал, поэтому не зависимо о Майера закон всех времен и народов « открыли» Джоуль и Гельмгольц.

В 1941 г Джоуль количественно установил тепловой эффект электрического тока, показав, что количество тепла пропорционально квадрату силы тока. Однако в данном эксперименте Джоуль был не первым, ранее до него провел эксперименты по определению теплового действия тока Эмилий Христофорович Ленц, но свою работу с более полными выводами, чем у Джоуля, опубликовал только в 1843г.. В этой связи в науке этот закон существует как закон Джоуля- Ленца.

Не смотря на то, что два врача Майер и Гельмгольц и пивовар Джоуль шли к цели разными путями, встречая ожесточенное сопротивление официальной науки, итог был предрешен общей тенденцией развития цивилизации. Для выполнения миссии человечество должно было осваивать новые виды энергии и более прогрессивные способы ее преобразования.

Уже в конце XVII в. появилась идея создания двигателя внутреннего сгорания - ДВС, в котором не нужен котел и топка, так как газообразное рабочее тело получает энергию от сжигания топлива внутри рабочего цилиндра. В двигателях внутреннего сгорания главная часть - цилиндр с поршнем, но на поршень давит не пар, а раскаленный сжатый газ, образовавшийся в результате сжигания топлива внутри цилиндра - отсюда и название ДВС - двигатель внутреннего сгорания.

Французский механик Э.Ленуар (1822-1900) изобрел горизонтальный двигатель внутреннего сгорания двойного действия. Двигатель Ленуара получил довольно высокое распространение, хотя был далек от совершенства и требовал серьезных доработок. Первый четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания был построен немцем Николаем Отто в 1876 году, затем он был усовершенствован русским инженером О.Костовичем, который разработал карбюратор для сжигания легких фракций продуктов перегонки нефти.

Немецкий инженер Рудольф Дизель (1858-1913) (рис. 15), разработал ДВС на тяжелом топливе -мазуте, соляровом масле. Работал он по принципу самовоспламенения.

Большой вклад в развитие энергетики, создание двигателей, работающих на органическом топливе, вносили ученые, открывающие и разрабатывающие законы и теорию различных процессов в области химии и физики.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) (рис. 16) - выдающийся русский ученый, автор фундаментального периодического закона химических элементов, открытие которого способствовало развитию химии, атомной и ядерной физики. Д.И. Менделеев разработал теорию горения топлива, которая позволяла определить теплотворную способность топлив различного состава, выбрать оптимальные режимы горения и многое другое. Помимо этого, Д.И. Менделеев разработал промышленные способы разделения нефти по фракциям - бензин, керосин, мазут, открыл и сформулировал положение о критическом состоянии вещества и многое другое.

Первый работающий газотурбинный двигатель был сконструирован и испытан в 1897 году русским изобретателем инженером П.Д. Кузьминским (1840-1900), топливом для этого двигателя служил керосин; в том же году им была построена газопаровая турбина с постоянным давлением сгорания.

Работы по созданию турбореактивных двигателей, газовых турбин велись в Германии (Штольце), в США (Мосс), во Франции (Арменго), в России (Н. Герасимов, В.И. Базаров и др.). Однако строительство такого рода двигателей и их длительная работа требовали жаропрочных материалов и разработки теории газовых турбин. Этими вопросами, а также созданием высокоэффективного компрессора, необходимого для этих двигателей, занимались в Англии, Германии (фирма Хейнкеля), Советском Союзе (А.А. Саблуков, Б.С. Стечкин), Франции, Италии, Швейцарии и других странах.

Газотурбинные двигатели нашли себе широкое применение в авиации, на парогазовых электростанциях и др.

После того как были изобретены различного рода двигатели -ветровые, водяные, паровые, турбореактивные, внутреннего сгорания - встал вопрос о передаче энергии на расстояние.

1.2.2 История развития вторичной энергетики

Развитие промышленности, строительство фабрик, заводов, рост крупных городов требовали все большей энергии и передачи ее на дальние расстояния. Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленности, сельского хозяйства, бытовых удобств явилось изобретение и применение электрических двигателей.

Применение электричества и использование электроэнергии было великим открытием XIX века.

Следует заметить, что электрическая энергия является вторичной энергией и не заменяет первичную (тепловую, гидравлическую, водяную и др.), но стимулирует развитие первичной энергии, а для ее передачи и распределения - самой удобной признана именно электрическая энергия.

Электричество является очень концентрированной энергией:

1 кВт.ч = 1000 Дж/с? 3600 с = 3600000 Дж;

1 кВт.ч = 102 кг.м/с? 3600 с = 367000 кг.м - это эквивалентно поднятию 367 т груза на высоту 1 метр.

Развитие электроэнергетики носит интернациональный характер.

В создании энергетики и ее внедрении принимали и принимают посильное участие люди самых разных национальностей, разных стран, разных классов.

Как известно, закон электромагнитной индукции, открытый Майклом Фарадеем, способствовал созданию электродвигателя и электрогенератора. А так же позволило отойти от механической картины мира и приступить к формированию электромагнитных законов природы.

Открытие и применение электричества было одним из величайших достижений человечества. Этому предшествовали усилия многих и многих людей разных профессий в разные эпохи.

Стоит вспомнить наиболее известные открытия применения электричества.

Основоположником науки о магнетизме является англичанин У. Гильберт (1540-1603), (рис. 17). В 1600 г. вышел труд У. Гильберта “О магните, магнитных телах и большом магните - Земле”, в котором он описывает разные полюса у магнита (северный и южный), поведение одинаковых и разноименных полюсов, способы намагничивания железа. Он первый указал на наличие магнитного поля Земли, посвятив этому открытию 18 лет жизни и поставив около 600 опытов, создал первое электроизмерительное устройство - электроскоп и назвал электрическими тела, способные электризоваться.

Ф. Хауксби в 1705 г. создал электрический генератор, используя вместо серного шара стеклянный. В 1743 г. в такую машину был введен скользящий контакт, который снимал заряд, и машина смогла при вращении непрерывно отдавать электрическую энергию.

С. Грей в 1729 г. заметил, что одни вещества проводят электричество, а другие не проводят.

Ш. Дюфе в начале XVIII в. открыл электрическое взаимодействие заряженных тел - притяжение разноименных и отталкивание одноименных тел.

В середине XVIII в. в Лейдене была создана «лейденская банка»- прообраз электрического конденсатора. Открытие этого конденсатора принадлежит преподавателю физики голландцу Мушенбруку и немецкому священнику фон Клейсту. Заряжалась “лейденская банка” с помощью серного шара фон Герике.

М.В. Ломоносов высказал очень важную мысль о возможности передачи электричества на большие расстояния и о практическом использовании электричества для металлизации поверхности металлов (1747 г.); только через 100 лет Б.С. Якоби открывает и применяет гальванопластику.

В 1759 г. академик Российской Академии Ф. Эпинус (1724 - 1802) открыл и объяснил электрическую поляризацию, существование силовых магнитных линий, взаимодействие электрических и магнитных масс.

Итальянец Луиджи Гальвани (1737-1798) (рис. 20), заведующий кафедрой анатомии, в 1791 г. опубликовал труд ”Трактат о силах электричества при мышечном движении”.

Это открытие через 121 год дало толчок исследованиям человеческого организма с помощью биоэлектрических токов. Обнаруживались больные органы при исследовании их электрических сигналов.

В 1800 г. А. Вольта объявил Лондонскому Королевскому обществу об изобретении вольтова столба. Вольта получал электрохимический источник электричества напряжением до 2 кВ. Этого было уже достаточно для исследования электричества, получения электрической дуги, электродуговой свечи, сваривания металлов и т.п. А. Батарейки, которыми мы сейчас пользуемся в часах, приемниках и др. - это те же, но усовершенствованные, вольтовы столбики - гальванические элементы.

Нужно отметить, что школьный учитель физики Г. Ом открыл важный закон для электроэнергетики.

У математика Андре Мари Ампера (1775-1836), рождается мысль о возможности взаимодействии двух проводников с током, что они ведут себя подобно двум магнитам.

Пройдет много лет и открытия этих ученых и их имена лягут в основу методов определения, превратятся в названия единиц: электрического тока (ампер, А), количества электрического заряда (кулон, Кл), напряжения (вольт, В), сопротивления (ом, Ом) и др.

Открытие Фарадеем электромагнитной индукции относится к наиболее выдающимся событиям XIX в. Работа миллионов трансформаторов, электрогенераторов и электродвигателей во всем мире основана на принципе электромагнитной индукции.

Несколько десятилетий спустя Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), развил идею Фарадея, облек ее в ясную точную математическую форму. Дж.К. Максвелл создал математический фундамент теории электромагнитных взаимодействий - четыре уравнения, четыре аксиомы, которые вот уже более ста лет не подвергаются сомнению в ученом мире.

Два человека после Максвелла пытались разработать такую же всеобъемлющую теорию гравитационного поля. Этими людьми был О. Хэвисайд и А. Эйнштейн, они пытались объединить электромагнетизм и гравитацию поля в единой теории поля. Открытия и исследования Д. Араго, Г. Эрстеда, А. Ампера, Г. Ома, М. Фарадея и других изобретателей и ученых послужили толчком для изобретательской фантазии инженеров, которые стали называться электриками. Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электрических машин.

В технике основными устройствами, использующими явление электромагнитной индукции, являются генераторы электрического тока, электродвигатели и трансформаторы.

1.2.3 Электроэнергетика как самостоятельная отрасль

Широкое и разнообразное применение электроэнергии во всех областях народного хозяйства и быта объясняется рядом весьма существенных преимуществ ее по сравнению с другими формами энергии, а именно: 1) возможностью экономичной передачи на значительные расстояния; 2) простотой преобразования в другие формы энергии (тепловую, механическую, световую, химическую и др.); 3) простотой распределения любой мощности (от многих киловатт до микроватт) между любым числом потребителей.

Большое значение имеет возможность использования для производства электроэнергии местных видов топлива (угля, торфа, сланца), энергии рек, водопадов, приливов, солнечной энергии и энергии ветра, геотермальной, атомной и др.

Электрическое освещение - первое массовое энергетическое применение электрической энергии - сыграло исключительно важную роль в становлении электроэнергетики и превращении электротехники в самостоятельную отрасль техники. Электрическое освещение явилось одной из первых областей применения электричества после гальванопластики.

У истоков освещения с помощью электричества стоял Василий Владимирович Петров (1761-1834), профессор медицинско-хирургической Академии в Петербурге. Исследуя световые явления, вызываемые электрическим током, В.В.Петров сделал свое знаменитое открытие - электрическую дугу, сопровождающуюся появлением яркого свечения и высокой температуры, а так же предпосылки для создания аккумуляторной батареи. Это произошло в 1802 г. и имело огромное историческое значение. Наблюдения и анализ Петровым свойств электрической дуги легли в основу создания электродуговых ламп, ламп накаливания, электросварки металлов и многого другого.

В 1876 г. получила признание свеча П.Н. Яблочкова, состоящую из двух угольных стержней, расположенных вертикально и параллельно друг другу, между которыми проложена изоляция из каолина (глины). в 1872 г. А.Н. Лодыгин предложил вместо угольных электродов в свече Яблочкова использовать нить накаливания (сначала угольную, а затем из тугоплавкого металла), которая при протекании электрического тока ярко светилась.

Это было безопасное для людей, яркое и дешевое освещение посредством электричества, как считал Лодыгин.

Томас Эдисон усовершенствовал лампу накаливания Лодыгина (откачализ баллона лампочки воздух, придумал цоколь с винтовой нарезкой и т. п.); заводы Эдисона стали выпускать лампы накаливания миллионами штук во всем мире.

Еще очень много известных ученых внесли неоценимый вклад в развитие электричества, в практическое применение в народном хозяйстве и промышленности. Со временем вольтов появились другие источники электричества: гальванические, термоэлементы, динамо-машины, электрогенераторы, аккумуляторы.

Кроме постоянного тока появился однофазный переменный ток, получавшийся от электромагнитных генераторов, а позже - и трех-фазный ток (М.О. Доливо-Добровольский).

Ученые конца XIX в. сделали бесчисленное множество открытий в области применения электричества, что послужило в дальнейшем для развития электроэнергетики как самостоятельной отрасли.

1.3 Развитие энергетики в России

Электрическая энергия с начала XX в. прочно вошла в промышленное производство, сначала в виде группового, а затем индивидуального электропривода, который и осуществил реконструкцию всего силового хозяйства машинной индустрии начала XX в.

С развитием отрасли одновременно стала развиваться и наука электротехника, так как с использованием электрического тока в промышленности, заводам и фабрикам требовались квалифицированные специалисты по работе с электрическим током (потому как является опасным производством на любых этапах деятельности, даже в быту).

В России Энергетическое и электротехническое образование (это система подготовки специалистов по энергетике -- тепло-, гидро-, электроэнергетике и энергомашиностроению для различных отраслей народного хозяйства, а также по электротехнике и другим видам техники, занимающимся производством, преобразованием, передачей, распределением и потреблением энергии в различных ее формах) стало развиваться с середины 19 в., когда в Петербургском технологическом институте и Горном институте было введено изучение термодинамики, паровых машин и паровых котлов.

В связи с развитием энергетики за годы Советской власти сформировались основные специализации: в теплоэнергетике - проектирование , монтаж и эксплуатация тепловых установок, теплофикационных сетей, теплового оборудования и др; в электроэнергетике и электротехнике - проектирование, монтаж и эксплуатация тепловых электростанций, линий передачи электроэнергии в различных отраслях промышленности, транспорта и связи, электромашиностроение, электроаппаратостроение (в том числе ионная и рентгеновская аппаратура, осветительные устройства) и др.; в гидроэнергетике - проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений, гидроэлектростанций и передаточных устройств.

В настоящее время в группу специальностей Энергетика входят: Теплоэнергетика, Электроэнергетика, Ядерные физика и технологии , Техническая физика, Энергомашиностроение, Электротехника, электромеханика и электротехнологии .

2. Современные проблемы энергетики

Человечество по мере своего развития все больше и больше нуждается в энергетических ресурсах , электрическая и тепловая энергия практически неотделимы от быта и производственной деятельности человека. В течение следующих десятилетий ожидается значительное увеличение энергопотребления, связанное с развитием экономики и приростом населения. Это приведет к росту давления на систему энергоснабжения и потребует повышенного внимания к эффективности использования энергии. Это проблемы современной энергетики , которые надо решать прямо сейчас. Доступность энергоресурсов является ключевым фактором для развития экономики и способствует улучшению качества жизни.

Рост мировых экономик и увеличение численности населения выступают в качестве основной движущей силы непрерывного роста энергопотребления.

2.1 Ситуация в мире

Несмотря на то, что количество автомобилей в Китае за 2000¬2006 гг. увеличилось более чем в 2 раза, один автомобиль там приходится на 40 человек, в то время как в США данный показатель равен одному автомобилю на двух человек. Исходя из этого, можно с уверенностью прогнозировать дальнейший стремительный рост продаж автомобилей и объемов потребления топлива в Китае. Ускоряющиеся темпы потребления в сочетании с большой численностью населения, которая продолжает расти, позволяют сделать вывод о том, что новая волна роста энергопотребления в значительной степени придется на развивающиеся страны.

Человек только начинает осознавать ограниченность ископаемых ресурсов, в условиях необходимости рационального их использования. Нефти с 1960 по 1970 год было израсходовано столько же, сколько за предыдущие 100 лет. К 2030 году доля нефти как энергоносителя сократится до 16 %. Между тем из разведанных и эксплуатируемых скважин извлекалось до недавнего времени всего 30 % нефти. Уголь может снова стать важнейшим источником энергии. Другой альтернативой всё чаще называется - атомная энергия.

Плодами экономического роста пользуется порядка 15 % населения Земли (в основном, страны Запада), а энергетические ресурсы сосредоточены преимущественно в развивающихся странах. США, ЕЭС, Канада, Япония потребляют 1/2 всей мировой энергии, 1/3 удобрений, 2/3 всех металлов, 2/3 деловой древесины. Они же производят более 2/3 мирового валового продукта, обеспечивают 2/3 мировой торговли, выбрасывают 3/4 всех загрязнителей. Вложение энергии на 100 000 человек в Нидерландах составляет 914 пентаджоулей, Германии - 418, Великобритании - 355, Японии - 352, США - 74, в России - только 16. Борьба за обладание энергоресурсами часто кончается военными конфликтами. В современных условиях усилия в этих конфликтах все чаще направляются не на захват территорий противника, а на подавление военно-экономического потенциала - устранение «конкурента» и обеспечение господства победителя на рынках сырья и сбыта. Это мнение особенно актуально для сегодняшней ситуации в мире.

В настоящее время основными источниками энергии являются углеводороды и урановые руды. Их мировые запасы примерно уже известны, и, даже по самым оптимистическим оценкам, вряд ли разведка даст увеличение их объемов в разы. Поскольку известен и уровень потребления этих ресурсов, то уже подсчитан и срок, после которого они будут полностью исчерпаны. Очевидно, что никакой режим экономии невозобновляемых источников энергии не в состоянии исключить того момента в будущем, когда они будут полностью исчерпаны. Ситуация усугубляется при этом еще несколькими факторами.

Во-первых, экспоненциальным ростом промышленного производства. Так, в прошлом столетии совокупный объем промышленного производства в мире увеличивался в среднем каждые 20 лет. Если эта тенденция сохранится в ХХI в., то через 20 лет потребность в энергоресурсах вырастет в 2 раза, через 40 лет - в 4, к концу ХХI в. - в 32, к концу ХХII в. - в 1024 раза. А поскольку даже при сохранении потребления ресурсов на сегодняшнем уровне их хватит не более чем на несколько десятков лет, то прирост промышленности катастрофически ускоряет приближение всемирной ресурсной катастрофы.

Однако главная проблема современной энергетики в настоящий момент -- не только истощение минеральных ресурсов, а угрожающая экологическая обстановка.

Самые острые экологические проблемы (изменение климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и другие) прямо или косвенно связаны с производством, либо с использованием энергии. Энергетике принадлежит первенство не только в химическом, но и в других видах загрязнения: тепловом, аэрозольном, электромагнитном, радиоактивном. Поэтому не будет преувеличением сказать, что от решения энергетических проблем зависит возможность решения основных экологических проблем.

Российские проблемы

Ключевой проблемой экономики России является необходимость повышения энергоэффективности. Удельная энергоемкость промышленного и сельскохозяйственного производства в 3,5 - 4,0 раза выше, чем в развитых странах мира. Это обусловлено тем, что энергетический сектор экономики сложился во второй половине прошлого века в условиях, совершенно отличных от современных. Решение проблемы - сложная, многофакторная задача от банальной экономии энергии до решения фундаментальных и прикладных научных проблем.

2.2 Пути решения

В условиях сложившейся односторонней ориентации экономики и энергетики на использование углеводородного сырья среди важнейших научных задач ближайшей перспективы, на мой взгляд, представляются следующие:

Разработка технологий атомной энергетики и реализация на этой основе современных высокоэффективных и безопасных реакторных установок и атомных электростанций нового поколения

Освоение водородных технологий и создание на этой основе систем производства, хранения и использования водорода как высокоэффективного топлива

Разработка новых технологий переработки и сжигания твердого топлива для получения энергии

Создание новых технологий использования нетрадиционных и возобновляемых источников электрической и тепловой энергии, создание химических источников тока.

Весь мир сейчас «говорит» об Альтернативной энергетике, основанной на использовании возобновляемых (или "чистых" не газрязняющих окружающую среду) источников энергии. К таковым относятся энергогенерирующие устройства, работающие с использованием энергии Солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, а также подземного тепла планеты.

Особое значение для качественного обновления энергетики имеют фундаментальные разработки в области высокотемпературной сверхпроводимости, позволяющие разрешить ряд важных проблем, таких как создание токоограничителей, накопителей электроэнергии, сооружение сверхпроводящих линий электропередачи для осуществления вводов электроэнергии в крупные города. Создание сверхпроводниковых накопителей энергии позволит повысить надежность и бесперебойность энергоснабжения при авариях в энергосистемах. Кроме того, электротехническое оборудование, выполненное с использованием сверхпроводимости (криогенные генераторы, кабели), позволит в 2 - 3 раза сократить потери при производстве и передаче электроэнергии. Фактически речь может идти о принципиально новой электроэнергетике.

Среди практических задач отрасли на ближайший период важнейшей является модернизация теплоэнергетики с созданием высокоэффективных парогазовых установок с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии с КПД не менее 50 - 55%.

В тоже время во многих странах мира ведутся работы по созданию интеллектуальных электрических сетей. Интеллектуальные сети (ИС) - это комплекс технических средств, которые в автоматическом режиме выявляют наиболее слабые и аварийно опасные участки сети, а затем изменяют характеристики и схему сети с целью предотвращения аварии и снижения потерь, автоматически балансирующая и самоконтролирующаяся энергетическая система, способная принимать энергию от любого источника (уголь, солнце, ветер) и преобразовывать ее в конечный продукт для потребителей (тепло, свет, теплую воду) при минимальном участии людей.

Заключение

Основными факторами, которые будут определять развитие энергетики в первой четверти XXI века, являются:

Рост спроса на топливно-энергетические ресурсы и углеводородное сырье внутри страны, обусловленный темпами роста национальной экономики и ее удельной энергоемкостью, а также ценами на энергоносители;

Масштабы реализации ресурсо- и энергосберегающих технологий как в энергетическом секторе, так и в других секторах экономики;

Состояние мировой энергетической конъюнктуры, степень интеграции в мировое энергетическое пространство;

Формирование благоприятного инвестиционного климата с учетом совершенствования налогового, ценового и таможенного регулирования;

Масштабы использования научно-технических достижений в ТЭК и подготовка перехода к энергетике будущего.

Развитие цивилизации, призванное служить во благо человеку, приводит к настолько сильным отрицательным последствиям, что грозит уничтожить само человечество.

Человечество должно предвидеть как положительные, так и отрицательные аспекты своей технической деятельности и предусмотреть систему мер, направленных на сведение к минимуму неблагоприятных воздействий на окружающую среду.

Из рассмотренной мною темы можно сделать следующий вывод - в наше время перед всеми светлыми умами человечества стоит вопрос нахождения, разработки и развития альтернативных источников энергии , создании Энергетики будущего без разрушения экосистемы планеты.

И в полнее возможно, что открытие сделает простой человек, не физик, не научный работник, какой-нибудь «повар», как это происходило на протяжении всей истории Энергетики. Открытие приходит там, где его никто не ждет!

Список литературы

1. Харламова Т.Е. История науки и техники. Электроэнергетика. Учеб. Пособие - СПб.: СЗТУ, 2006. - 126с.

2. Исаков А. Я. Энергия (руководство по самостоятельной работе) (часть 1) - Петропавловск-Камчатский - КамчатГТУ., 2009 - 206с.

3. Исаков А. Я. Энергия (руководство по самостоятельной работе) (часть 3) - Петропавловск-Камчатский - КамчатГТУ., 2010 - 259с.

4. Т. Потапова. Энергия клетки. М. В мире науки № 3. 2006.

5. http://www.lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0125601:article

6. http://www.nestor.minsk.by/sn/2003/27/sn32709.html

7. http://www.novustrend.com/index.php?option=com_content&view=article&id=1396:2011-02-15-08-45-28&catid=114:2010-10-06-14-04-28&Itemid=586

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Солнечная энергетика. История развития солнечной энергетики. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения. Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики. Типы фотоэлектрических элементов. Технологии солнечной энергетики.

реферат , добавлен 30.07.2008


Источники энергии Древнего мира, раннего Средневековья и Нового времени. Технологии, используемые в процессе получения, передачи и использования энергии. Тепловые двигатели, двигатели внутреннего сгорания, электрогенераторы. Развитие ядерной энергетики.

презентация , добавлен 15.05.2014


Типовые источники энергии. Проблемы современной энергетики. "Чистота" получаемой, производимой энергии как преимущество альтернативной энергетики. Направления развития альтернативных источников энергии. Водород как источник энергии, способы его получения.

реферат , добавлен 30.05.2016


Использование энергии естественного движения: течения, водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Отрасль энергетики, использующая ядерную энергию в целях электрификации и теплофикации. Производство энергии с помощью солнечных электростанций.

презентация , добавлен 20.04.2016


История использования энергии ветра. Современные методы генерации электроэнергии, конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения. Мировые мощности ветряной энергетики, проблемы, экологические аспекты и перспективы развития.

реферат , добавлен 21.11.2010


Проблемы энергетики. Атомная энергетика. Нефть и уголь. Проблемы развития. Альтернативные источники энергии. Основные причины перехода к АИЭ. Энергия солнца. Ветер. Водород. Управляемый термоядерный синтез. Гидроэнергия. Геотермальная.

курсовая работа , добавлен 09.09.2007


Обзор развития современной энергетики и ее проблемы. Общая характеристика альтернативных источников получения энергии, возможности их применения, достоинства и недостатки. Разработки, применяемые в настоящее время для нетрадиционного получения энергии.

реферат , добавлен 29.03.2011


Типология альтернативной энергетики. Возобновляемая энергия в арабских странах. Ядерная энергетика и ее резервы в арабских странах. Переход к использованию альтернативных источников энергии. Достигнутые результаты в сфере альтернативной энергетики.

контрольная работа , добавлен 08.01.2017


Проблемы электроэнергетики мира. Воздействие на окружающую среду энергетики. Топливно-энергетический баланс России. Пути решения энергетических проблем. Удельное энергопотребление на душу населения в мире. Альтернативные источники возобновляемой энергии.

презентация , добавлен 12.12.2010


Геотермальная энергия и ее использование. Применение гидроэнергетических ресурсов. Перспективные технологии солнечной энергетики. Принцип работы ветроустановок. Энергия волн и течений. Состояние и перспективы развития альтернативной энергетики в России.

Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электрификации. Как известно, под электрификацией понимается широкое внедрение электрической энергии в родное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия в будущем ее применение будет еще более расширяться.

Под электротехникой в широком смысле слова подразумевается область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей.

Это общее определение электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные области, в которых используют электрические и магнитные явления: преобразование энергии природы (энергетическая); превращение вещества природы (технологическая); получение и передача сигналов или информации (информационная). Поэтому более полно электротехнику моя определить, как область науки и техники, использующую электрические и магнитные явления для осуществления процессов преобразования энергии и превращения вещества, а также для передачи сигналов и информации.

В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя ее направлениями: информационное, энергетическое и технологическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение в ускорении научно-технического прогресса.

В развитии электротехники условно можно выделить следующие шесть этапов.

1. Становление электростатики (до 1800 г.)

К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.

2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ {1800 - 1830 гг.)

Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» - первого электрохимического генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В. В. Петрова, с помощью которой им была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера, Био - Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями.

3. Зарождение электротехники (1830-1870 гг.)

Самым знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, создание первого электромашинного генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия экономичного электрического генератора.

4. Становление электротехники как самостоятельной отрасти техники (1870-1890 гг.)

Создание первого измышленного электромашинного генератора с самовозбуждением (динамомашины) открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники.

В связи с развитием промышленности, ростом городов возникает острая потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» электрических станций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром, и все более остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Решить эту проблему на базе постоянного тока было нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока.

Значительным стимулом к, внедрению переменного тока явилось изобретение «электрической свечи» П. Н. Яблочковым и разработка им схемы дробления электрической энергии посредством индукционных катушек, представлявших собой трансформаторе разомкнутой магнитной системой. Однако однофазные двигатели были непригодны для целей промышленного электропривода.

Одновременно разрабатываются способы передачи электрической энергии на большие расстояния посредством значительного повышения напряжения линий электропередач.

Дальнейшее развитие электрического освещения способствовало совершенствованию электрических машин и трансформаторов; в середине 80-х гг. началось серийное производство однофазных трансформаторов с замкнутой магнитной системой (М. Дери, О. Блати, К. Циперновский).

Идея П. Н. Яблочкова о централизованном производстве и распределении электроэнергии претворяется в жизнь, начинается строительство центральных электростанций переменного тока. Однако развивающееся производство требовало комплексного решения сложнейшей научно-технической проблемы: экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надежного электрического двигателя, удовлетворяющего требованиям промышленного электропривода. Эта проблема была успешно решена на основе многофазных, в частности трехфазных систем.

5. Становление и развитие электрификации (с 1891 г.)

Важнейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля. Первые многофазные двигатели были двухфазными.

Трехфазная система оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд преимуществ как перед однофазными цепями, так и перед другими многофазными системами. В разработку трехфазных систем большой вклад сделали ученые и инженеры разных стран. Но как будет показано далее, наибольшая заслуга принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, трансформаторы.

Убедительной иллюстрацией преимуществ трехфазных цепей была знаменитая Лауфен-Франкфуртская электропередача (1891 г.), сооруженная при активном участии Доливо-Добровольского.

С этого времени начинается бурное развитие электрификации: строятся мощные электростанции, возрастает напряжение электропередач, разрабатываются новые конструкции электрических машин, аппаратов и приборов. Электрический двигатель занимает господствующее положение в системе промышленного привода. Процесс электрификации постепенно охватывает все новые области производства: развивается электрометаллургия, электротермия, электрохимия. Электрическая энергия начинает все более широко использоваться в самых разнообразных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и в быту.

Широкое применение переменного тока потребовало теоретического осмысления и математического описания физических процессов, происходящих в электрических машинах, линиях электропередач, трансформаторах. Расширяются исследования явлений в цепях переменного тока с помощью векторных и круговых диаграмм.

Огромную прогрессивную роль в анализе процессов в цепях сыграл комплексный метод, предложенный в 1893-1897 гг. Ч. П. Штейнмецом.

С развитием крупных энергосистем и увеличением дальности электропередач возникла серьезная научно-техническая проблема обеспечения устойчивости параллельной работы генераторов электростанции, которая была решена отечественными и зарубежными учеными. Теоретические основы электротехники становятся базой учебных дисциплин в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники.

6. Зарождение и развитие электроники (первая четверть XX в.)

Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызвал необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.

Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами. Создание разнообразных электронных, в особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным образом повысить эффективность автоматизации процессов вычислений, обработки информации, осуществлять моделирование сложных физических явлений, решение логических задач и др. при значительном снижении габаритов, устройств, повышении их надежности и экономичности.

Значительный прогресс в электронике наметился после создания больших интегральных схем (БИС), быстродействие их измеряется миллиардными долями секунды, а минимальные размеры составляют 2-3 мкм. Внедрение БИС привело к созданию микропроцессоров, осуществляющих цифровую обработку информации по программе, и микроЭВМ.

Быстрое развитие микроэлектроники обусловило возникновение и заметный прогресс новой области науки и техники - информатики. Уже в начале 80-х гг. как в нашей стране, так и за рубежом стали изготовлять микропроцессоры и микроЭВМ в одном кристалле. Все это дает огромный эффект в повышении надежности, снижении габаритов и потребляемой энергии микроэлектронных устройств, используемых в различных производственных процессах, автоматизированных систем управления, на транспорте, в бытовых устройствах.

Мы живем в век торжества электротехники и электроники - в век, когда на нас работают миллионы всевозможных электрических машин, электронных аппаратов и приборов.

Сбылись пророческие слова Ломоносова о том, что настанет время, и великое благо принесет человечеству сила электричества. Это смелое предсказание не могло не сбыться, ибо оно было сделано не просто мечтателем, а величайшим учёным, опережавшим современную ему науку. Ломоносов был одним из немногих ученых XVIII века, усилиями которых был заложен фундамент науки об электричестве. В их числе был англичанин Грей, открывший способность металлов проводить электрические заряды, француз дю Фэ, указавший на два рода зарядов - «положительные» и «отрицательные», как говорим мы теперь, американец Франклин, изучавший природу молнии, создавший одну из первых теорий электричества, итальянец Гальвани, обнаруживший электризацию при соприкосновении разнородных металлов.

Ломоносов также с увлечением изучал грозовой разряд и ставил дерзкие опыты, сводя «небесный огонь» в свою лабораторию.

В этих опытах принимал участие друг Ломоносова академик Рихман, крупный учёный, изобретатель первого электроизмерительного прибора. Во время одного из опытов Рихман был убит молнией.

В 1753 году в своём «Слове о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» Ломоносов излагает теорию происхождения атмосферного электричества. «Я причину сию произвел от погружения верхней холодной атмосферы из наступающих великих морозов», - писал учёный, показывая, что атмосферное электричество образуется в результате трения друг о друга частичек «мерзлых паров», переносимых нисходящими и восходящими воздушными потоками.

Глубоко постигнув тайны электричества, великий учёный построил теорию полярных сияний. Он утверждал, что сияния эти есть не что иное, как электрические разряды в высочайших слоях атмосферы.

Обосновывая свою теорию, Ломоносов на опыте доказал, что в разреженном газе под действием электричества может возникнуть свечение.

Выкачав воздух из стеклянного шара и наэлектризовав шар трением, экспериментатор заставил светиться находящийся в сосуде разреженный газ.

Как мы теперь знаем, свечение возникает в результате ударов электронов, быстро движущихся под действием электрических сил, об атомы разреженного газа.

Впоследствии исследования газового разряда привели к исключительным по своему значению открытиям. В конце XIX века пустотные трубки помогли учёным открыть электрон, рентгеновские лучи. Газовый разряд используется теперь в катодных трубках, радиолампах, новых источниках света и т. д.

Итоги своих исследований в области электричества Ломоносов в 1756 году обобщил в работе «Теория электричества, разработанная математическим путем». К сожалению, этот труд Ломоносова остался незаконченным. В этой работе русский учёный излагает свою теорию электрических явлений. Он утверждает, что электричество и свет суть волновые колебательные процессы. Гениальное ломоносовское прозрение об общности природы электрических и световых явлений - одна из незыблемых основ современной физики.

Много замечательных страниц в науку об электричестве вписал петербургский академик Ф. У. Эпинус (1724-1804) - младший современник Ломоносова.

Ему принадлежит открытие электростатической индукции. Это явление состоит в том, что тело, электрически заряженное, заставляет электризоваться тела, не соприкасающиеся с ним. Оно действует на них на расстоянии.

Сделав это открытие, Эпинус наметил и пути теоретического истолкования обнаруженного на опыте явления электростатической индукции.

Принцип электростатической индукции положен в основу действия множества электрических приборов и аппаратов: электростатических машин, электрофоров, конденсаторов и т. д.

На основе этого открытия известный итальянский учёный А. Вольта сделал впоследствии два выдающихся изобретения: электрофор - простой прибор для получения статического электричества, и конденсатор - «копилку» электрических зарядов.

Приборы, основанные на явлении электростатической индукции, сыграли большую роль в пору становления науки об электричестве. И ныне они непременная принадлежность любой физической лаборатории. Сейчас, в дни расцвета электротехники, лежащий в их основе принцип используется строителями гигантских генераторов напряжением в миллионы вольт, конструкторами радиоприёмников и передатчиков, телефонных и телеграфных линий, электропередач, электроавтоматических устройств, высокочастотных установок.

В научном наследии Эпинуса есть ещё одна выдающаяся работа: открытие пироэлектричества - электризации некоторых кристаллов под действием тепла. Отрасль техники, занятая проблемой превращения тепловой энергии в электрическую, ныне усиленно развивается. В наши дни инженерам и учёным служат десятки приборов, основанных на способности тепла рождать электричество (при этом используется не только явление, открытое Эпинусом, но и другие).

Так работы Ломоносова и его сподвижников заложили фундамент науки об электричестве.

Гений Ломоносова указал путь грядущим исследователям. В его трудах первые творцы электротехники не раз находили опору для смелых творческих дерзаний.