Вода та енергія Розрахувати гідроенергетичний потенціал енергії, розрахувати енергетичні потреби для
За допомогою турбін, водяних коліс, машин з водяними колонками тощо їм можна отримувати енергію з води. У попередні століття енергію приводу отримували безпосередньо (наприклад, на млинах), сьогодні електричну енергію зазвичай отримують за допомогою підключеного генератора.
Максимальна кількість енергії, яку можна отримати від існуючого водопроводу, залежить від 3 факторів:
g: прискорення під дією сили тяжіння, виміряне в м/с ^ 2
m: кількість води, виміряна в кг
Dif_h: різниця висот між припливом і виливом, виміряна в м
Прискорення завдяки силі тяжіння майже однакове скрізь на землі і становить приблизно 9,81 м/с ^ 2.
Максимальна енергія, яку можна отримати від гідроенергії (Е, виміряна в Дж або кВт-год), може бути розрахована наступним чином:
E (у J) = m (у кг) * g (у м/с ^ 2) * Dif_h (у м)
E (у кВт-год) = m (у кг) * g (у м/с ^ 2) * Dif_h (у м)/3600000 (Дж/кВт-год)
E (у кВт-год) = m (у т) * g (у м/с ^ 2) * Dif_h (у м)/3600 (кДж/кВт-год)
За допомогою сучасних турбінних систем до 90% максимальної відновлюваної енергії насправді можна отримати як електричну енергію.
Приклад: З озера, поверхня якого становить 340 м над рівнем моря (= 340 м над рівнем моря), вода направляється по трубі (1) у долину на 260 м над рівнем моря, де турбіною вводиться у річку. Перепад висот Dif_h становить 340 м - 260 м = 80 м.
Кількість води, яку можна щодня стікати з верхнього озера для вироблення електроенергії, залежить від того, скільки води в неї потрапляє щодня в середньому через потоки та річки. Для нашого прикладу ми припускаємо, що це 35000 м ^ 3 на день. Оскільки 1 мі води має масу близько 1 т, ми обчислюємо далі 35000 т/добу.
Тоді максимальна електрична (корисна) енергія E_el, максимальна, яку можна отримати щодня (з ефективністю 100%), становить:
E_el, макс. = 35000 т/добу * 1 день * 9,81 м/с ^ 2 * 80 м/3600 кДж/кВт-год = 7630 кВт-год.
При загальній ефективності турбінної системи (турбіни) + генератора (генераторів), наприклад, 85%, однак, лише кількість енергії E_el, tat
E_el, tat = 7630 кВт-год * 85%/100% = приблизно 6490 кВт-год
фактично отримана у вигляді електричної енергії.
Електрична потужність P_el, tat, що генерується турбінною системою, є відповідною кількістю енергії, виходячи з періоду часу, протягом якого ця кількість енергії генерується.
Оскільки в прикладі 6490 кВт-год електричної енергії виробляється за один день, електрична потужність P_el, tat може бути розрахована наступним чином:
P_el, tat = 6490 кВт-год/день = 6490 кВт-год/24 год = приблизно 270 кВт-год/год = 270 кВт
На практиці приплив в озеро дуже різний залежно від пори року та погодних умов. Як результат, навряд чи можливо забезпечити турбіну постійним потоком води 35000 м ^ 3/добу протягом тривалих періодів часу. Тому в посушливі періоди турбіна буде тимчасово експлуатуватися із зменшеною потужністю або навіть залишатись у безвихідному стані, тоді як у сезони дощів потрібно використовувати більшу кількість води на день, щоб запобігти переливу озера. Відповідно, максимальна потужність турбіни повинна бути більше 270 кВт. В середньому за рік середня електрична потужність турбіни становить 270 кВт.
(1): Це повинен бути трубопровід, оскільки він закритий, що дозволяє формувати товщу води. Як результат, повну різницю висот можна використовувати для створення гідростатичного тиску перед турбіною. Однак у відкритих жолобах значна частина накопиченої енергії буде втрачена до того, як вода потрапить до турбіни.
2 Вимоги до енергії для опалення води
Що відбувається, коли додається водна (теплова) енергія? Почнемо з дуже холодної води, наприклад, при температурі -100 ° C. Звичайно, це вже не рідина, а у вигляді твердого льоду.
Постачання тепла спочатку підвищує температуру льоду. Скільки теплової енергії потрібно на кг і на підвищення температури ° C - константа, яка залежить від речовини, її агрегатного стану і, меншою мірою, від температури та тиску, так званої теплоємності або питомої теплоти. Зазвичай для цього використовується символ cp (c для потужності та p для тиску = постійний), коли процес відбувається під постійним тиском, як це зазвичай буває у повсякденному житті. (Значення cp для льоду, води та водяної пари наведені в таблиці нижче для різних температур. Для льоду cp сильно залежить від температури, так що середнє значення повинно бути розраховане або розраховане для відповідного діапазону температур. Для води та водяної пари Зазвичай температурною залежністю cp можна нехтувати.) Для нагрівання 1 кг льоду від -100 ° C до 0 ° C потрібно близько 170 кДж енергії.
Якщо енергія продовжує надходити, лід взагалі не нагрівається (2), а навпаки, він тане. Чим більше додається енергії, тим більше води і менше ожеледиці. Кількість тепла, яке потрібно додати, щоб повністю розтопити 1 кг льоду від 0 ° C до води з 0 ° C, називається теплотою плавлення або ентальпією плавлення Delta_H_Sm (термін ентальпія вказує на те, що процес, про який йде мова, відбувається при постійному тиску). Для води Delta_H_Sm дорівнює 334 кДж/кг при 0 ° C.
(Щоб повністю розтопити 1 кг льоду при 0 ° C до 1 кг води при 0 ° C, вам потрібно кількість енергії в 334 кДж. Це майже вдвічі більше, ніж потрібно для нагрівання від -100 ° C до 0 ° C був.)
При подальшому енергопостачанні вода нагрівається до досягнення температури кипіння води (при нормальному тиску повітря 100 ° С). Через значення cp приблизно 4,2 кДж/(кг * ° C), на кг води потрібно кількість енергії приблизно 420 кДж. Відтоді температура залишається постійною навіть при подальшому надходженні енергії, поки вода повністю не випарується і тепер доступна лише у формі пари. Кількість тепла, яке потрібно додати для повного випаровування 1 кг води при 100 ° C у водяну пару при 100 ° C, називається теплотою конденсації або випаровування або ентальпією випаровування Delta_H_V. Для води Delta_H_V при 100 ° C становить 2256 кДж/кг. Delta_H_V залежить від температури, зменшується із збільшенням температури і досягає нульового значення при критичній температурі. Залежність від тиску Delta_H_V є низькою, і нею можна нехтувати.
Якщо утворюється пара не просто виходить у повітря, а виводиться, наприклад, через трубу, її температуру можна збільшити практично на стільки, скільки бажано вище температури кипіння (= "температура кипіння"), додаючи більше тепла.
(2): Якщо ви швидко нагріваєтесь, а лід також у формі менш компактних шматків, вода може мати значно вищу температуру, ніж 0 ° C, оскільки теплова енергія не може надходити з води в лід так швидко, як вам подобається. Якщо на деякий час перервати подачу тепла, вода знову охолоне до 0 ° C, і відповідна кількість льоду тане.
70 кг льоду при температурі -20 ° C слід розтопити у воду при 40 ° C. Яку кількість енергії (тепла) Q необхідно додати до льоду/води?
1.Нагрівання льоду Е до температури плавлення (0 ° С):
Q_1 = m_E * cp_E * (0 ° C - -20 ° C) = 70 кг * 2,0 кДж/(кг * ° C) * 20 ° C = 2800 кДж
2. Плавлення льоду при температурі плавлення:
Q_2 = m_E * Delta_H_Sm, W = 70 кг * 334 кДж/кг = 23380 кДж
3. Нагрівання води від 0 ° C до 40 ° C:
Q_3 = m_W * cp_W * (40 ° C - 0 ° C) = 70 кг * 4,2 кДж/(кг * ° C) * 40 ° C = 11760 кДж
Загальна потреба в теплі:
Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 37940 кДж
Перетворення в кВт-год (1 кВт-год = 3600 кДж):
37940 кДж = 10,54 кВт-год
(m: маса; cp: питома теплоємність; Delta_H_Sm: ентальпія плавлення; E: лід; W: вода)
З 70 кг води при температурі 40 ° C слід отримати пар при 170 ° C. Яку кількість енергії (тепла) Q потрібно додати до води?
1.Нагрівання води до температури кипіння (100 ° C):
Q_1 = m_W * cp_W * (100 ° C - 40 ° C) = 70 кг * 4,2 кДж/(кг * ° C) * 60 ° C = 17640 кДж
2. Випаровування води при температурі кипіння:
Q_2 = m_W * Delta_H_V, W = 70 кг * 2256 кДж/кг = 157920 кДж
3. Нагрівання пари від 100 ° C до 170 ° C:
Q_3 = m_D * cp_D * (170 ° C - 100 ° C) = 70 кг * 2,0 кДж/(кг * ° C) * 70 ° C = 9800 кДж
Загальна потреба в теплі:
Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 185 360 кДж
Перетворення в кВт-год (1 кВт-год = 3600 кДж):
185 360 кДж = 51,49 кВт-год
(m: маса; cp: питома теплоємність; Delta_H_V: ентальпія випаровування; W: вода; D: пара)
Кількість енергії, необхідна для нагрівання 1 кг певної речовини на 1 ° С, називається теплоємністю (також: питомою теплоємністю) цієї речовини. Теплоємність залежить від агрегатного стану речовини (твердого, рідкого чи газоподібного), а також більш-менш від її температури та тиску. При переважній більшості речовин, включаючи воду, теплоємність найбільша у рідкому стані.
Теплоємність cp льоду, води та пари при різних температурах T наведена нижче (#DAL; #Wea):
Вода - одна з речовин з найбільшими теплоємностями. Для порівняння, теплоємність cp деяких інших речовин при нормальних температурах навколишнього середовища (#MSc; #DAL):