Как получить тепловую энергию

​Тепловая энергия

Сегодня в мире используются различные способы получения тепловой энергии:

• Сжигание органических расходных материалов
• Использование тепла грунта
• Использование солнечной теплоэнергии
• Получение тепла в результате естественных химических реакций
• Использование биореакторов

В случае со сжиганием органических материалов, тепловая энергии – один из продуктов процесса горения. Теплоэнергия, полученная таким образом, может преобразовываться в электроэнергию на специальных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и теплоэлектростанциях (ТЭС). Чаще всего в качестве расходного материала используется уголь или газ. Также могут использоваться в данных целях различные биомассы. Нефть практически не используется для получения тепловой энергии и преобразования её в электрическую. Традиционные способы получения теплоэнергии хоть и являются наиболее распространёнными, всё же активно критикуются в современном обществе. В основе критики находятся постулаты о необходимости бережного отношения к природе и недопустимости иссякания природных ресурсов.

Использование тепла непосредственно Земли – достаточно экологичный способ добычи теплоэнергии. Геотермальные источники бывают двух типов:

• Естественные
• Искусственные

В процессе получения теплоэнергии используются паровые турбины и иные тепловые машины.

Получение тепла от солнечных лучей не стало популярным в глобальных масштабах. Тем не менее, работы в данном направлении продолжают вестись, и инженеры активно сотрудничают с архитекторами и экологами при создании энергопроизводящих домов и иных сооружений.

Получение тепла в результате естественных химических реакций (гниение, брожение и пр.), а также получение тепловой энергии с помощью биореакторов тоже пока не получили значительной популярности в мире. Количество теплоты, получаемой в результате такого производства, крайне мало в сравнении с другими способами получения теплоэнергии.

Источником тепловой энергии является специальная энергоустановка. Для увеличения тепловой энергии может различным образом использоваться сила трения.

«Жизненный цикл» тепловой энергии выглядит следующим образом:

1. производство
2. передача
3. потребление

В случае, если тепловая энергия не перерабатывается в электрическую, она используется для следующих нужд:

• Отопление жилых и нежилых помещений
• Горячее водоснабжение

Единицей измерения теплоэнергии является гигакалория (Гкал).

Для расчёта тепловой энергии, используемой для нужд отопления, используется следующая формула:

Q = V * ( T1 – T2 ) / 1000

Q – количество теплоэнергии

V – количество использованной горячей воды (в кубах)

Т1 – температура горячей воды

Т2 – температура холодной воды

В Беларуси основным способом получения теплоэнергии является сжигание природных ископаемых, там не менее, ведутся активные работы по экологизации данной отрасли энергетики. Что касается использования геотермальных ресурсов, то потенциал Беларуси в данной области достаточно низок – термальные воды расположены глубоко, из температура недостаточно высока, зато высок уровень минерализации. Использование солнечных батарей в промышленных масштабах не представляется эффективной методикой из-за особенностей климата Беларуси и относительно небольшого количества солнечных дней в году.

Domovita в Telegram!

Читайте про недвижимость Беларуси в нашем Telegram: новостройки, необычные объекты, новости и аналитика.

Куда уходит тепловая энергия? Основные способы получения и использования

Тепловая энергия играет важную роль в нашей повседневной жизни. Без нее невозможно представить современную цивилизацию. Но откуда берется эта энергия и куда она уходит? Давайте разберемся!

Что такое тепловая энергия и откуда она берется

Тепловая энергия — это энергия, связанная с движением и взаимодействием частиц, из которых состоит вещество. Она характеризует среднюю кинетическую энергию хаотического теплового движения молекул, атомов и других частиц.

Основные источники тепловой энергии:

• Солнце — излучает огромное количество энергии, которая нагревает Землю
• Недра Земли — расплавленные породы мантии и ядра передают тепло на поверхность
• Химическая энергия органических веществ, выделяемая при их горении или окислении
• Ядерная энергия, выделяемая в результате распада радиоактивных элементов

Наиболее распространенный на сегодня способ получения тепловой энергии — это сжигание органического топлива: газа, угля, нефти, древесины. При их горении выделяется большое количество теплоты, которую можно использовать в разных целях.

Основные способы использования тепловой энергии

Куда же уходит вся эта тепловая энергия и как она используется:

1. Производство электроэнергии на тепловых электростанциях. Тепло от сжигания топлива превращается в механическую энергию вращения турбин, которые запускают генераторы.
2. Промышленные технологические процессы: нагрев и плавка металлов, обжиг керамики, выпаривание жидкостей и т.д.
3. Отопление зданий и сооружений, обеспечение горячего водоснабжения в быту и на производстве.
4. В сельском хозяйстве — для обогрева теплиц, животноводческих ферм и помещений.

Таким образом, тепловая энергия является универсальным источником энергии, который используется во всех сферах человеческой жизни. А куда же она уходит после использования?

Большая часть потребленной теплоты окончательно диссипирует, то есть безвозвратно рассеивается в окружающей среде. Это неизбежные тепловые потери при преобразовании одних видов энергии в другие. Так тепловая энергия постепенно исчезает, уходя в космическое пространство.

Однако часть теплоты можно уловить и использовать повторно. Например, вторичные энергетические ресурсы промпредприятий, тепло сбросных вод, выхлопные газы двигателей и тепловыделения электростанций.

Поэтому вопрос эффективного использования и экономии тепловой энергии по-прежнему остается актуальным.

Как экономить тепловую энергию дома и на производстве

Бережливое отношение к тепловой энергии — это важный шаг на пути к устойчивому развитию. Как же можно экономить тепло, не снижая уровня комфорта?

Энергоэффективные технологии

• Утепление зданий современными материалами
• Использование энергосберегающих окон и дверей
• Установка автоматизированных систем управления отоплением по температурному графику и погодным условиям

Альтернативные источники энергии

Возобновляемые источники позволяют снизить потребление ископаемого топлива:

• Солнечные коллекторы для нагрева воды
• Тепловые насосы, использующие тепло земли, воды и воздуха
• Котлы на биотопливе

Экономия тепла в быту

Простые советы для рационального использования тепловой энергии:

1. Снижение температуры воздуха в помещениях ночью и в отсутствие людей
2. Утепление окон на зиму
3. Использование энергосберегающих ламп и бытовой техники

Перспективы развития теплоэнергетики

Какие технологии ждут нас в будущем?

Повышение эффективности традиционной генерации

Модернизация тепловых электростанций, внедрение инновационных разработок позволят увеличить их КПД и снизить удельный расход топлива.

Новые источники тепловой энергии

Активно ведутся работы по использованию энергии термоядерного синтеза. В будущем это может стать практически неисчерпаемым источником дешевой энергии.

Экологические аспекты теплоэнергетики

Наряду с очевидной пользой, традиционная теплоэнергетика несет и определенный экологический ущерб.

Воздействие на атмосферу

При сжигании органического топлива в атмосферу выбрасывается большое количество парниковых газов, золы и загрязняющих веществ.

Влияние на водные ресурсы

Сбросы нагретой технической воды от тепловых и атомных станций приводят к повышению температуры водоемов, что нарушает биологическое равновесие.

Загрязнение почв

Золоотвалы, хранилища отработанного ядерного топлива, разливы нефтепродуктов — все это источники радиоактивного и химического заражения почв.

Потребление природных ресурсов

Добыча ископаемого сырья для энергетики влечет за собой нарушение естественных ландшафтов и мест обитания животных.

Решение экологических проблем

Для снижения негативного влияния на природу необходим постепенный переход к безопасной низкоуглеродной энергетике на базе возобновляемых источников.

Преобразование тепловой энергии в электрическую с высоким КПД: способы и оборудование

Тепловая энергия занимает особое место в человеческой деятельности, поскольку она используется во всех секторах экономики, сопровождает большинство промышленных процессов и жизнедеятельность людей. В большинстве случаев отработанное тепло теряется безвозвратно и без какой-либо экономической выгоды. Этот потерянный ресурс уже ничего не стоит, поэтому повторное его использование будет способствовать как уменьшению энергетического кризиса, так и защите окружающей среды. Поэтому новые способы преобразования тепловой в электрическую энергию и конверсия отработанного тепла в электричество сегодня как никогда актуальны.

Виды генерации электроэнергии

Преобразование природных источников энергии в электричество, тепло или кинетическую энергию требует максимальной эффективности, особенно на газовых и угольных электростанциях, чтобы снизить объемы выбросов СО₂. Существуют различные способы преобразование тепловой энергии в электрическую, зависящие от типов первичной энергии.

Среди ресурсов энергии уголь и природный газ используются для выработки электроэнергии путем сжигания (тепловая энергия), а уран путем ядерного деления (ядерной энергии), чтобы использовать энергию пара для вращения паровой турбины. Десять крупнейших стран производителей электроэнергии на 2017 год представлены на фото.

Таблица эффективности работы существующих систем преобразование тепловой энергии в электрическую.

Выработка электроэнергии из тепловой энергии

Тепловые электростанции, ТЭЦ

Атомные станции, АЭС

Конденсационная электростанция, КЭС

Газотурбинная электростанция, ГТЭС

Термоэмиссионные преобразователи, ТЭП

МГД-генераторы электроэнергии совместно с ТЭЦ

Выбор метода преобразования тепловой энергии в электрическую и его экономическая целесообразность зависят от потребностей в энергоносителях, наличия природного топлива и достаточности площадки строительства. Вид генерации варьируется во всем мире, что приводит к широкому диапазону цен на электроэнергию.

Проблемы традиционной электроэнергетики

Технологии преобразования тепловой энергии в электрическую, такие как ТЭС, АЭС, КЭС, ГТЭС, ТЭП, термоэлектрические генераторы, МГД-генераторы имеют разные преимущества и недостатки. Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) иллюстрирует плюсы и минусы технологий генерации на природных энергетических ресурсах, рассматривая такие критические факторы, как строительство и затраты на электроэнергию, на землю, требования к воде, выбросы CO₂, отходы, доступность и гибкость.

Результаты EPRI подчеркивают, что при рассмотрении технологий производства электроэнергии нет единого подхода к решению всех проблем, но при этом все же больше преимуществ у природного газа, который является доступным для строительства, имеет низкую себестоимость электроэнергии, создает меньше выбросов, чем уголь. Однако не все страны имеют доступ к обильному и дешевому природному газу. В некоторых случаях доступ к природному газу находится под угрозой из-за геополитической напряженности, как это было в случае с Восточной Европой и некоторыми странами Западной Европы.

Технологии возобновляемых источников энергии, такие как ветровые турбины, солнечные фотоэлектрические модули производят эмиссионное электричество. Однако для них, как правило, требуется много земли, результаты их эффективности являются неустойчивыми и зависят от погоды. Уголь, основной источник тепла, является самым проблемным. Он лидирует по выбросам CO₂, требует много чистой воды для охлаждения теплоносителя и занимает большую площадь под строительство станции.

Новые технологии направлены на снижение ряда проблем, связанных с технологиями производства электроэнергии. Например, газовые турбины, объединенные с резервным аккумулятором, обеспечивают резерв на случай непредвиденных обстоятельств без сжигания топлива, а периодически возникающие проблемы в области возобновляемых ресурсов могут быть смягчены за счет создания доступного крупномасштабного хранилища энергии. Таким образом, сегодня нет ни одного безупречного способа преобразования тепловой энергии в электрическую, который мог бы обеспечить надежную и экономически эффективную электроэнергию с минимальным воздействием на окружающую среду.

Тепловые электростанции

На ТЭС пар высокого давления и температуры, полученный от нагрева воды при сжигании твердого топлива (главным образом угля), вращает турбину, подключенную к генератору. Таким образом он преобразует свою кинетическую энергию в электрическую. Рабочие компоненты тепловой электростанции:

1. Котел с газовой топкой.
2. Паровая турбина.
3. Генератор.
4. Конденсатор.
5. Охлаждающие башни.
6. Циркуляционный водяной насос.
7. Насос подачи воды в котел.
8. Принудительные вытяжные вентиляторы.
9. Сепараторы.

Типовая схема тепловой электростанции представлена ниже.

Паровой котел служит для преобразования воды в пар. Этот процесс осуществляется путем нагрева воды в трубах с нагревом от сжигания топлива. Процессы горения непрерывно проводятся в камере сгорания топлива с подачей воздуха извне.

Паровая турбина передает энергию пара для вращения генератора. Пар с высоким давлением и температурой толкает лопатки турбины, установленных на валу, так, что он начинает вращаться. При этом параметры перегретого пара, поступающего в турбину, снижается до насыщенного состояния. Насыщенный пар попадает в конденсатор, а роторная мощность применяется для вращения генератора, вырабатывающего ток. Сегодня почти все паровые турбины представляют собой конденсаторный тип.

Конденсаторы — это устройства для преобразования пара в воду. Пар течет снаружи труб, а охлаждающая вода течет внутри труб. Такая конструкция называется поверхностным конденсатором. Скорость передачи тепла зависит от потока охлаждающей воды, площади поверхности труб и разности температур между водяным паром и охлаждающей водой. Процесс изменения водяного пара происходит при насыщенном давлении и температуре, в этом случае конденсатор находится под вакуумом, потому что температура охлаждающей воды равна внешней температуре, максимальная температура конденсата воды вблизи температуры наружного воздуха.

Генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Генератор состоит из статора и ротора. Статор состоит из корпуса, который содержит катушки, а магнитная полевая роторная станция состоит из сердечника, содержащего катушку.

По виду вырабатываемой энергии ТЭС делятся на конденсационные КЭС, которые производят электрическую энергию и теплоэлектроцентрали ТЭЦ, совместно выпускающие тепловую (пар и горячая вода) и электрическую энергию. Последние, имеют возможности преобразования тепловой энергии в электрическую с высоким КПД.

Атомные электростанции

АЭС используют тепло, выделяемое во время ядерного деления, для нагрева воды и производства пара. Пар используется для вращения больших турбин, которые генерируют электричество. При делении атомы расщепляются, образуя более мелкие атомы, высвобождая энергию. Процесс протекает внутри реактора. В его центре находится ядро, в котором содержится уран 235. Топливо для АЭС получают из урана, имеющего в своем составе изотоп 235U (0,7%) и неделящегося 238U (99,3 %).

Ядерный топливный цикл представляет собой серию промышленных этапов, связанных с производством электроэнергии из урана в ядерных энергетических реакторах. Уран — относительно распространенный элемент, который встречается во всем мире. Он добывается в ряде стран и обрабатывается до использования в качестве топлива.

Виды деятельности, связанные с производством электроэнергии, в совокупности относятся к ядерному топливному циклу по преобразованию тепловой энергии в электрическую на АЭС. Ядерный топливный цикл начинается с добычи урана и заканчивается удалением ядерных отходов. При переработке использованного топлива в качестве опции для ядерной энергии, его этапы образуют настоящий цикл.

Уранплутониевый топливный цикл

Чтобы подготовить топливо для использования на АЭС, осуществляются процессы по добыче, переработке, конверсии, обогащению и выпуску твэлов. Топливный цикл:

1. Выгорание урана 235.
2. Шлакование – 235U и (239Pu, 241Pu) из 238U.
3. В процессе распада 235U расход его уменьшается, а из 238U при выработке э/энергии получаются изотопы.

Себестоимость твэлов для ВВР примерно 20 % себестоимости вырабатываемого электричества.

После того как уран проведет около трех лет в реакторе, используемое топливо может пройти еще один процесс использования, включая временное хранение, переработку и рециркуляцию до удаления отходов. АЭС обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Тепло, выделяемое во время ядерного деления в активной зоне реактора, используется для превращения воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины, приводя в действие генераторы, вырабатывающие электричество.

Пар охлаждается, превращаясь в воду в отдельной структуре на силовой установке, называемой градирней, которая использует воду из прудов, рек или океана для охлаждения чистой воды паросилового контура. Затем охлажденную воду повторно используют для получения пара.

Доля выработки электроэнергии на АЭС, по отношению к общему балансу выработки их разных видов ресурсов, в разрезе некоторых стран и в мире — на фото ниже.

Газотурбинная электростанция

Принцип работы газотурбинной электростанции аналогичен работе паротурбинной электростанции. Единственное различие заключается в том, что на паротурбинной электростанции для вращения турбины используется сжатый пар, а в газотурбинной силовой установке — газ.

Рассмотрим принцип преобразования тепловой энергии в электрическую в газотурбинной электростанции.

В газотурбинной электростанции воздух сжимают в компрессоре. Затем этот сжатый воздух проходит через камеру сгорания, где образуется газовоздушная смесь, повышается температура сжатого воздуха. Эта смесь с высокой температурой и высоким давлением проходит через газовую турбину. В турбине она резко расширяется, получая кинетическую энергию достаточную для вращения турбины.

В газотурбинной электростанции вал турбины, генератор переменного тока и воздушный компрессор являются общими. Механическая энергия, создаваемая в турбине, частично используется для сжатия воздуха. Газотурбинные электростанции часто используются в качестве резервного поставщика вспомогательной энергии на гидроэлектростанции. Он генерирует вспомогательную мощность во время запуска гидроэлектростанции.

Преимущества и недостатки газотурбинной электростанции

Конструкция газотурбинной электростанции намного проще, чем паротурбинная электростанция. Размер газотурбинной электростанции меньше, чем у паротурбинной электростанции. На газотурбинной электростанции нет котельного компонента, и, следовательно, система менее сложная. Отсутствует пар, поэтому не требуются конденсатор и градирня.

Проектирование и строительство мощных газотурбинных электростанций намного проще и дешевле, капитальные затраты и эксплуатационные расходы в значительной степени меньше стоимости аналогичной паротурбинной электростанции.

Постоянные потери на газотурбинной электростанции значительно меньше по сравнению с паротурбинной электростанцией, поскольку в паровой турбине силовая установка котла должна работать непрерывно, даже когда система не подает нагрузку в сеть. Газотурбинная электростанция может быть запущена практически мгновенно.

Недостатки газотурбинной электростанции:

1. Механическая энергия, создаваемая в турбине, также используется для запуска воздушного компрессора.
2. Поскольку основная часть механической энергии, создаваемой в турбине, используется для управления воздушным компрессором, общая эффективность газотурбинной электростанции не такая высокая, как эквивалентная паротурбинная электростанция.
3. Выхлопные газы в газотурбинной электростанции сильно отличаются от котла.
4. До фактического запуска турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует дополнительного источника питания для запуска газотурбинной электростанции.
5. Температура газа достаточно высока на газотурбинной электростанции. Это приводит к тому, что срок службы системы меньше, чем у эквивалентной паровой турбины.

Из-за более низкой эффективности газотурбинная электростанция не может использоваться для коммерческого производства электроэнергии, она обычно используется для подачи вспомогательной энергии на другие обычные электростанции, например, такие как гидроэлектростанция.

Термоэмиссионные преобразователи

Они также называются термоэлектронным генератором или термоэлектрическим двигателем, которые непосредственно преобразуют тепло в электричество, используя термоэмиссию. Тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию с очень высокой эффективностью через индуцированный температурой процесс электронного потока, известный как термоэлектронное излучение.

Основным принципом работы термоэлектронных преобразователей энергии является то, что электроны испаряются с поверхности нагретого катода в вакууме и затем конденсируются на более холодном аноде. После первой практической демонстрации в 1957 году термоэлектронные преобразователи энергии использовались с различными источниками тепла, но все они требуют работы при высоких температурах — выше 1500 К. В то время как работа термоэлектронных преобразователей энергии при относительно низкой температуре (700 К — 900 К) возможна, эффективность процесса, которая обычно составляет > 50%, значительно уменьшается, поскольку количество излучаемых электронов на единицу площади от катода зависит от температуры нагрева.

Для традиционных катодных материалов, таких как металлы и полупроводники, число испускаемых электронов пропорционально квадрату температуры катода. Однако недавнее исследование демонстрирует, что температура тепла может быть снижена на порядок при использовании графена в качестве горячего катода. Полученные данные показывают, что катодный термоэлектронный преобразователь на основе графена, работающий при 900 К, может достичь КПД 45%.

Принципиальная схема процесса электронной термоэлектронной эмиссии представлена на фото.

TIC на основе графена, где Tc и Ta — температура катода и температура анода, соответственно. Основываясь на новом механизме термоэлектронной эмиссии, исследователи предполагают, чтобы конвертер энергии катода на основе графена мог найти свое применение при повторном использовании тепла промышленных отходов, которое часто достигает температурного диапазона от 700 до 900 K.

Новая модель, представленная Ляном и Энгом, может принести пользу конструкции преобразователя энергии на основе графена. Твердотельные преобразователи энергии, которые в основном являются термоэлектрическими генераторами, обычно работают неэффективно в низкотемпературном диапазоне (с КПД менее 7%).

Термоэлектрические генераторы

Утилизация отходов энергии стала популярной целью для исследователей и ученых, которые придумывают инновационные методы для достижения этой цели. Одним из наиболее перспективных направлений является термоэлектрические устройства на основе нанотехнологий, которые выглядят, как новый подход к экономии энергии. Прямое преобразование тепла в электричество или электричество в тепло известно, как термоэлектричество, основанное на эффекте Пельтье. Если быть точным, эффект называется именем двух физиков — Жана Пельтье и Томаса Зеебека.

Пельтье обнаружил, что ток, посылаемый в два разных электрических проводника, которые соединены на двух переходах, приведет к нагреву одного соединения, в то время как другое соединение охладится. Пельтье продолжил исследования, установил, что каплю воды можно заставить замерзнуть на стыке висмута-сурьмы (BiSb), просто изменив ток. Пельтье также обнаружил, что электрический ток может протекать, когда имеет место разность температур размещается поперек соединения разных проводников.

Термоэлектричество является чрезвычайно интересным источником электроэнергии из-за его способности преобразовывать тепловой поток непосредственно в электричество. Он представляет собой преобразователи энергии, которые легко масштабируются и не имеют движущихся частей или жидкого топлива, что делает их применимыми практически в любой ситуации, когда большое количество тепла, как правило, направляется в отходы, от одежды до крупных промышленных объектов.

Наноструктуры, используемые в материалах полупроводниковых термоэлементах, помогут поддерживать хорошую электропроводность и уменьшить теплопроводность. Таким образом, производительность термоэлектрических устройств может быть увеличена за счет использования материалов на основе нанотехнологий, с применением эффекта Пельтье. Они обладают улучшенными термоэлектрическими свойствами и хорошими поглощающими способность солнечной энергии.

1. Поставщики энергии и датчики в диапазонах.
2. Сжигающая масляная лампа, управляющая беспроводным приемником для удаленной связи.
3. Нанесение небольших электронных устройств, таких как MP3-плееры, цифровые часы, чипы GPS/GSM и импульсные счетчики с теплотой тела.
4. Быстро охлаждающие сиденья в роскошных автомобилях.
5. Уборка отработанного тепла в автомобилях путем преобразования его в электричество.
6. Преобразование отработанного тепла на заводах или промышленных объектах в дополнительную мощность.
7. Солнечные термоэлектрики могут быть более эффективнее, чем фотоэлектрические элементы для выработки электроэнергии, особенно в районах с меньшим солнечным светом.

МГД-генераторы электроэнергии

Магнитогидродинамический генератор мощности генерируют электроэнергию посредством взаимодействия движущейся жидкости (обычно ионизированный газ или плазма) и магнитного поля. С 1970 года в нескольких странах были проведены исследовательские программы МГД с особым акцентом на использование угля в качестве топлива.

Основополагающий принцип генерации MHD-технологий элегантен. Как правило, электропроводящий газ образуется при высоком давлении путем сжигания ископаемого топлива. Затем газ направляется через магнитное поле, в результате чего внутри него действует электродвижущая сила в соответствии с законом индукции Фарадея (названным в честь английского физика и химика XIX века Майкла Фарадея).

Система МГД представляет собой тепловой двигатель, включающий расширение газа от высокого до низкого давления так же, как и в обычном газовом турбогенераторе. В системе МГД кинетическая энергия газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию, так как ей разрешено расширяться. Интерес к генерированию МГД был первоначально вызван открытием того, что взаимодействие плазмы с магнитным полем может происходить при гораздо более высоких температурах, чем это возможно во вращающейся механической турбине.

Предельные характеристики с точки зрения эффективности в тепловых двигателях были установлена в начале XIX века французским инженером Сади Карно. Выходная мощность МГД-генератора для каждого кубического метра его объема пропорциональна продукту газопроводности, квадрату скорости газа и квадрату силы магнитного поля, через который проходит газ. Для того, чтобы МГД-генераторы работали конкурентоспособно, с хорошей производительностью и разумными физическими размерами, электропроводность плазмы должна быть в диапазоне температур выше 1800 К (около 1500 С или 2800 F).

Выбор типа МГД-генератора зависит от используемого топлива и применения. Обилие запасов угля во многих странах мира способствуют развитию углеродных систем МГД для производства электроэнергии.

Источники тепловой энергии. Как получить и эффективно использовать важнейший ресурс

Тепловая энергия — необходимое условие комфортной жизни человека в современном мире. Без тепла невозможно представить ни отопление жилищ, ни горячее водоснабжение, ни работу промышленных предприятий. Откуда же берется это тепло, которое согревает наши дома и помогает вести привычный образ жизни?

Понятие тепловой энергии и способы ее получения

Тепловая энергия — это энергия, связанная с хаотичным движением молекул и атомов. Чем выше температура тела, тем интенсивнее движение частиц и тем больше тепловой энергии оно содержит. Мы ощущаем тепло, когда прикасаемся к нагретым предметам, сидим у костра или греемся в лучах солнца.

Люди научились получать тепловую энергию разными способами:

• Сжигание топлива (дров, торфа, угля, газа, нефти)
• Использование ядерной энергии (деление ядер урана)
• Улавливание солнечного излучения
• Использование тепла недр Земли (гейзеры, вулканы)

Еще в глубокой древности люди добывали огонь трением дерева о дерево. Это позволяло им согреться, приготовить пищу и осветить пещеры. Со временем человек научился контролировать процесс горения, строить очаги, печи и камины.

Теперь, в век центрального отопления и горячего водоснабжения, трудно представить, каково было выживать без этих благ цивилизации.

Современные технологии позволяют получать огромное количество тепловой энергии на производственных предприятиях — тепловых электростанциях, котельных, атомных станциях. Эта энергия используется для обогрева домов, офисов, общественных зданий по всему миру.

Природные источники тепловой энергии

К природным источникам тепловой энергии относятся Солнце и недра Земли. Солнечные лучи несут огромное количество тепловой энергии. Ее можно улавливать при помощи специальных устройств:

• Солнечные коллекторы на крышах зданий
• Фотоэлектрические панели
• Солнечные водонагреватели

Однако возможности использования солнечной энергии ограничены климатическими условиями — в пасмурную или холодную погоду выработка тепла резко снижается. Поэтому солнце может быть только дополнительным источником энергии.

Недра Земли также являются мощным источником тепла. Подземная магма, вулканическая активность, горячие источники и гейзеры — все это проявления внутреннего тепла нашей планеты. Однако возможности прямого использования этого тепла крайне ограничены.

Тепло от сжигания топлива

Основным источником тепловой энергии для человека является сжигание топлива — нефти, газа, угля, дров. В результате химических реакций горения выделяется тепло, которое используется для обогрева домов и помещений.

Существует множество видов топлива:

• Природный газ
• Каменный уголь
• Дрова
• Торф

Для сжигания топлива и получения тепла используется специальное оборудование — топки, паровые котлы, топочные устройства. В крупных котельных устанавливаются водогрейные и паровые котлы большой мощности.

Однако при сжигании органического топлива образуется множество вредных веществ, загрязняющих атмосферу. Поэтому актуальна задача поиска альтернативных источников энергии.

Ядерная энергия

Одним из альтернативных источников получения тепловой энергии является ядерная энергия. В атомных электростанциях происходит расщепление ядер урана, при котором выделяется огромное количество тепла.

Это тепло используется для нагрева воды и получения пара, вращающего турбины и вырабатывающего электроэнергию. Кроме того, отработанное тепло от реактора можно использовать и для обогрева зданий.

Однако добыча урана, обогащение топлива и утилизация радиоактивных отходов — сложные и дорогостоящие процессы при использовании атомной энергии. К тому же существуют риски аварий и катастроф, как, например, на Чернобыльской АЭС.

Потери тепла при транспортировке

Большая проблема при использовании тепловой энергии — значительные потери тепла при транспортировке от места производства к потребителям. Даже при хорошей изоляции теплотрасс происходит остывание теплоносителя.

Чтобы снизить потери, применяют высококачественную изоляцию труб из современных материалов. Разрабатываются новые виды изоляции, например вакуумная.

Также ведутся работы по использованию альтернативных теплоносителей, менее подверженных остыванию при транспортировке.

Распределение и учет тепловой энергии

Для распределения тепла от магистральных теплосетей до конечных потребителей используются тепловые пункты. Они бывают центральными и индивидуальными.

Центральные тепловые пункты распределяют теплоноситель от ТЭЦ по многоквартирным домам и предприятиям. Индивидуальные обеспечивают теплоснабжение частных домов.

Для учета теплопотребления в тепловых пунктах устанавливаются приборы — теплосчетчики и тепловычислители. Это позволяет стимулировать экономное использование тепловой энергии, оплачивая только реально потребленное тепло.

Эффективное использование тепла в быту

Много тепла теряется из-за плохой теплоизоляции зданий и неэффективного использования в быту. Чтобы сократить потери, применяют современные изоляционные и отделочные материалы при строительстве и ремонте.

Также важно устанавливать системы регулирования температуры в отдельных помещениях и использовать экономичные отопительные приборы — радиаторы, конвекторы.

Большой резерв экономии тепла — рациональное использование горячей воды и установка сантехники, и утечки.

Экономия тепловой энергии должна стать приоритетом как производителей, так и потребителей. Эффективное использование тепла позволит снизить нагрузку на окружающую среду и сократить производственные издержки. Все это будет способствовать устойчивому развитию энергетики и повышению качества жизни людей.

Промышленное применение тепловой энергии

В промышленности тепловая энергия широко используется в технологических процессах: нагрев и плавление металлов, обжиг керамики, сушка материалов, выработка пара.

Для обогрева цехов и производственных корпусов часто применяется паровое отопление от котельных установок. Также используется вторичное тепло от различных агрегатов.

Важной задачей промышленных предприятий является модернизация систем теплоснабжения с внедрением энергосберегающих технологий и повышением КПД.

Теплоснабжение городов и поселков

Для теплоснабжения городов и поселков чаще всего используется централизованная система — тепло подается от единой городской котельной или ТЭЦ. Такая система имеет более высокий КПД.

Однако в последнее время растет доля индивидуального теплоснабжения за счет автономных котлов и котельных. Это позволяет потребителям экономить на тарифах централизованного отопления.

Для снижения потерь в городских теплосетях применяется предизолированные трубы в пенополиуретановой изоляции при прокладке новых магистралей.

Нетрадиционные источники тепла

Помимо традиционных способов получения тепловой энергии, ведутся разработки по использованию нетрадиционных возобновляемых источников:

• Энергия приливов и волн
• Геотермальная энергия из подземных вод
• Термохимическая конверсия биомассы

Однако пока доля таких источников тепла невелика из-за технических и экономических сложностей внедрения.

Теплонасосные установки

Одним из перспективных направлений в теплоэнергетике являются теплонасосные установки. Они позволяют использовать низкопотенциальное тепло из окружающей среды.

Тепловые насосы могут быть как большой мощности для целых зданий, так и компактными для частных домов. Они экономичны и экологичны.

Будущее теплоэнергетики

В будущем теплоэнергетика будет развиваться в направлении:

• Повышения эффективности производства и распределения тепла
• Внедрения возобновляемых источников энергии
• Развития распределенной энергетики
• Использования новых теплоносителей

Это позволит сделать теплоснабжение более экономичным, экологичным и надежным. А значит, тепло и комфорт будут доступны каждому жителю Земли.