Некоторая установка развивающая мощность 30 квт охлаждается проточной водой: Некоторая установка развивающая мощность 30 кВт охлаждается проточной водой текущей по

Готовимся к олимпиаде — В МИРЕ ФИЗИКИ И ИНФОРМАТИКИ

      Да не падут на сушь и воды

      И не подавят нас собой.

      (А.С. Пушкин)

В примечании к этим строкам поэт пишет: «Плохая физика; но зато какая смелая поэзия!» почему в этих строках физика – плохая?

4. Первую половину пути автомобиль ехал со скоростью 40 км/ч, а вторую половину пути со скоростью 60 км/ч. Какова средняя скорость на всем пути? 

5.  На привале у озера юный турист вручил своим товарищам ведро и кувшин вместимостью 7 и 3 л соответственно. При этом дал задание принести из озера ровно столько воды, сколько вмещается в кастрюлю, о которой сообщил, что если целиком (ровным слоем) наполнить её сухим песком плотностью 1500 кг/м 

8 класс

1. Конёк – Горбунок.

Ну-с, так едет наш Иван

За кольцом на окиян

Горбунок летит, как ветер,

И в почин на первый вечер

Вёрст сто тысяч отмахал

И  нигде не отдыхал.

(П. П. Ершов)

Оцените, с какой скоростью двигался Конёк – Горбунок. Сколько раз за первый вечер он мог бы обогнуть земной шар?

2. Автоколонна  длиной 300 м движется по мосту равномерно со скоростью 36 км/ч. За какое время колонна пройдёт мост, если длина моста 600 м?

3. Некоторая установка, развивающая мощность 30 кВт, охлаждается проточной водой, текущей по спиральной трубке сечением 1 см ². При установившемся режиме проточная вода нагревается на Δt = 15°C. Определите скорость течения воды, предполагая, что вся энергия, выделяющаяся при работе установки, идёт на нагревание воды.

4. Стеклянный флакон от духов заполнен ртутью и плотно закрыт притёртой стеклянной пробкой. Как, не вынимая пробки определить массу находящейся во флаконе ртути? Какие физические приборы вам для этого понадобятся?

ОЛИМПИАДНЫЕ ЗАДАЧИ для 8 класса

ОЛИМПИАДНЫЕ Задачи  для 8 класса 1. Девочки сделали снеговика, а мальчики соорудили точную его копию, но в два раза большей высоты.  Какова масса копии, если масса оригинала равна 50 кг? (Плотность снега в обоих  снеговиках одинаковая.)  (9 баллов) 2. Группа туристов, двигаясь цепочкой по обочине дороги со скоростью 3,6 км/ч, растянулась  на 200 м.  Замыкающий   посылает велосипедиста к вожатому, который находится впереди  группы. Велосипедист едет со скоростью 7 м/с; выполнив поручение, он тут же  возвращается к замыкающему группы с той же скоростью. Через  сколько времени после  получения поручения велосипедист вернулся обратно? (11 баллов) 3. В каком случае подъемная сила у самодельного бумажного воздушного шара, заполненного  горячим воздухом, больше: когда ребята запускали его в помещении школы или на дворе  школы, где было довольно прохладно? (8 баллов) 4. В  доску  толщиной 5 см забили гвоздь длиной  а=10 см так, что половина гвоздя прошла  навылет. Чтобы вытащить его из доски, необходимо приложить силу 1,8 кН. Гвоздь  вытащили из доски. Какую при этом совершили механическую работу? (11 баллов) 5. Некоторая установка, развивающая мощность 30 кВт, охлаждается проточной водой,  текущей по спиральной трубке сечением 1 см². При установившемся режиме проточная  вода нагревается на  ∆t=15°C. Определите скорость течения воды, предполагая, что вся  энергия, выделяющаяся при работе установки, идет на нагревание воды.  (12 баллов) 6. Закрытый бидон из железа частично заполнен керосином. Предложите один из способов,  позволяющих, не пользуясь никакими измерительными приборами (и не открывая бидон),  определить примерный уровень керосина в бидоне.  (9 баллов) Ответы на задания для 8 класса ≈ 58,3 с. 1. 400 кг. Решение.  При  изготовлении точной копии все размеры (длина, ширина и высота) должны быть  увеличены в 2 раза. Следовательно, объем снеговика, сделанного мальчиками, будет в 8 раз  больше объема оригинала, а масса копии  m =50 кг ∙ 8=400 кг. 2. Решение. Скорость велосипедиста в системе отсчета, связанной с группой, при движении к  вожатому равна υ₂­υ₁ при возвращении обратно равна υ₂+υ₁. Поэтому время движения  велосипедиста к вожатому t₁= L/ υ₂­υ₁ , а время возвращения велосипедиста к замыкающему  t₂= L / υ₂+υ₁ , где L ­ длина цепочки. Общее время движения велосипедиста t= t₁+ t₂. Таким  образом можно записать:   t= L / υ₂­υ₁+ L / υ₂+υ₁= 2 L ∙ υ₂/ υ₂²­υ₁² Подставив  числовые значения величин, получим:   t  58,3 с. 3. Подъемная сила воздушного шара равна разности между весом воздуха в объеме шара и  ≈ весом газа, заполняющего шар. Чем больше разница в плотностях воздуха и газа,  заполняющего шар, тем больше подъемная сила. Поэтому подъемная сила шара больше на  улице, где воздух менее прогрет. 4. 135 Дж. Решение.  Чтобы переместить гвоздь на пути а, надо совершить работу А₁=F∙а. При  дальнейшем перемещении гвоздя сила будет убывать от F до 0. Поэтому работу надо находить  для средней силы: А₂=1/2∙F∙а.  Следовательно, полная работа А= А₁+А₂=F∙а +1/2∙F∙а= 3/2∙ F∙а=1,5 ∙ F∙а. 5. Решение. В соответствии с законом сохранения и превращения энергии 0,48 м/с ≈ τ                                                                          Е=Q                                                                       (1)   где Е – энергия, выделившаяся при работе установки; Q­ энергия, израсходованная на  нагревание воды. Но                                   Е=Р                                                                       (2)                                                                            τ   ­ время работы установки, а                 Q= сm∆                                                                         m­ масса воды. Подставив выражения (2) и (3) в (1), получим                                                                          Р   = сm∆  (4) υ При движении воды со скоростью  массой                                                           M= S (5)    проходит вода                                                                      t                                                               (3) t                                                               по трубкам с сечением S за время  ρ υτ τ τ                Подставив выражение (5) в формулу (4), получим:            Р= с  S ∆  ρ                                                                                       Отсюда                      = Р/с S∆  ρ υ t                                      υ t    6. Можно, например, вначале хорошо охладить бидон с керосином.  Затем поместить его в  теплое помещение.  В помещении в результате конденсации пара бидон покроется  капельками воды. По мере нагревания бидона в теплом помещении вода на нем будет  испаряться. Так как масса воздуха и паров бензина в верхней части его значительно меньше  массы керосина, находящегося в нижней части бидона, то при нагревании бидона в  тёплом  помещении  испарение будет происходить быстрее с верхней части его. В результате в  какой­то момент времени можно будет наблюдать резкую границу между сухой поверхностью  бидона и частью его, еще покрытой капельками воды. Эта  граница и укажет  на уровень керосина в бидоне.

Подготовка к олимпиадам: тепловой баланс, 8 класс.

Продолжаем подготовку к олимпиадам. Тема сегодняшней статьи – тепловой баланс. Начнем, как обычно, с более простых задач, и потом перейдем к тем, что посложнее.

Задача 1. Цилиндрическое ведро с кипятком поставлено на лед. Температура льда С. Высота ведра . Оценить, на какую глубину погрузится ведро в лед, когда вода остынет.

Вода отдаст количество теплоты

А лед его примет:

Масса воды в ведре равна

Масса растаявшего льда

Тогда уравнение баланса принимает вид:

Сокращаем и выражаем – высоту, на которую опустится ведро при таянии льда.

Ответ: .

Задача 2. Для купания необходимо наполнить 350-литровую ванну водой при температуре  С. Сколько для этого нужно взять литров воды из холодного  С крана и из горячего  С крана?

Уравнение теплового баланса:

Отдавать будет горячая вода, получать – холодная, в итоге горячая остывает на 38 градусов, а холодная нагревается на 25.

Тогда

Но , поэтому

Ответ: холодной воды 211 л, горячей – 139.

Задача 3. В калориметре находится лед при температуре С. Для нагревания его на С требуется количество теплоты Q. Сколько теплоты потребуется для нагревания льда еще на  С?

Если мы нагреем лед на 2 градуса, его температура будет , а при нагревании еще на два он не останется льдом, потому что растает. Следовательно, тепло уйдет на таяние льда, а потом еще будем греть воду, получившуюся при таянии:

Определяем отношение:

Ответ: понадобится в 82 раза больше теплоты.

Задача 4. Смесь из 5 кг льда и 15 кг воды при общей температуре С, нужно нагреть до температуры  С, пропуская водяной пар с температурой С. Найдите необходимую массу пара.

Пар будет конденсироваться, а получившаяся вода – остывать. Вот это слагаемое нужно не забыть. Тогда

Откуда

Ответ: 3,5 кг пара понадобится.

Задача 5. Некоторая установка, развивающая мощность  кВт, охлаждается проточной водой, текущей по спиральной трубке сечением  см. При установившемся режиме проточная вода нагревается на  С. Определить скорость течения воды, предполагая, что вся энергия, выделяющаяся при работе, идет на нагрев воды.

Установка отдает количество теплоты за время . За это время по трубке протечет объем воды . Тогда

Время сократится, и мы получим:

Ответ: 4,76 м/с.

Задача 6. Литр воды нагрелся в электрическом чайнике за одну минуту от  до С. После этого из чайника налили стакан теплой воды (200 мл) и снова включили чайник в сеть. Определите мощность чайника. Через какое время после второго включения чайник закипит? Потерями пренебречь.

Мощность чайника по первому условию:

Можно эту мощность сразу и посчитать:

Тогда второе условие (убавили объем воды):

Ответ: 168 с.

Задача 7. Из ведра налили в кастрюлю некоторое количество воды, затем поставили кастрюлю на нагреватель, и через 30 минут вода в ней закипела. Тогда из того же ведра зачерпнули еще некоторое количество воды и долили в кастрюлю. При этом температура воды в кастрюле понизилась на С. Через пять минут после этого вода в кастрюле снова закипела. Какова температура воды в ведре? Потерь нет.

Пусть мощность нагревателя и он отдает кастрюле Дж тепла. Тогда

Потом, когда воду долили, нам, по сути, предстоит нагреть только это добавленное количество. Поэтому

Разделим уравнения друг на друга:

Теперь запишем условие понижения температуры воды при добавлении холодной:

Откуда

Ответ: .

Задача 8. При нормальном атмосферном давлении в открытый калориметр помещают одинаковое количество воды (при температуре C) и льда (при температуре C). Какая максимальная доля льда может при этом расплавиться?

Если конечная температура превышает , то лед весь растаял, то есть ответ в этом случае – 100%. Если же конечная меньше , то таяние не началось, следовательно, ответ 0%. Рассмотрим ситуацию, когда конечная температура – нулевая. Тогда

Так как , сократим массы:

Где – коэффициент, показывающий долю расплавившегося льда.

В этой зависимости только – не константа, поэтому все зависит от этой температуры. Конечно, чем она больше, тем больше . Для воды диапазон изменения температуры – от до , а для льда – от до . У воды более узкий диапазон, поэтому максимум – . При этом

Ответ: .

Задача 9. В калориметр, содержащий г воды при температуре C, бросили г мокрого снега. Температура в калориметре понизилась на C. Сколько воды было в снеге? Теплоемкостью калориметра пренебречь.

Пусть в снегу было воды. Тогда, с учетом того, что конечная температура положительная – то есть все растаяло, имеем:

Тогда

Ответ: 7 г.

Задача 10. На какую бы высоту можно было поднять гирю массой 16 кг за счет энергии, которая выделяется при остывании стакана с 200 г чая  от С до С.

Откуда

Ответ: 420 м.

Мы рассмотрели подготовительные задачи, просто, чтобы «набить руку». Все интересное – впереди.

Задача 4.( 10 баллов)Два однородных кубика привели в тепловой контакт друг с другом (см. рисунок).

Школьный этап, 7 класс

1. Скорость.
Запишите названия животных в порядке убывания скорости их движения:
Акула – 500 м/мин
Бабочка – 8 км/ч
Муха – 300 м/мин
Гепард – 112 км/ч
Черепаха – 6 м/мин

2. Клад.
Обнаружена запись о местонахождении клада: «От старого дуба пройти на север 20 м, повернуть налево и пройти 30 м, повернуть налево и пройти 60 м, повернуть направо и пройти 15 м, повернуть направо и пройти 40 м; здесь копать». Каков путь, который согласно записи, надо пройти, чтобы дойти от дуба до клада? На каком расстоянии от дуба находится клад. Выполните рисунок задачи.

3. Таракан Митрофан.
Таракан Митрофан совершает прогулку по кухне. Первые 10 с он шел со скоростью 1 см/с в направлении на север, затем повернул на запад и прошел 50 см за 10с, 5 с постоял, а затем в направлении на северо-восток со скоростью 2 см/с, проделал путь длиной 20 см. Здесь его настигла нога человека. Сколько времени гулял по кухне таракан Митрофан? Какова средняя скорость движения таракана Митрофана?

4. Гонки на эскалаторе.
Два малыша Петя и Вася решили устроить гонки на движущемся вниз эскалаторе. Начав одновременно, они побежали из одной точки, расположенной точно посередине эскалатора, в разные стороны: Петя — вниз, а Вася — вверх по эскалатору. Время, затраченное на дистанцию Васей, оказалось в 3 раза больше Петиного. С какой скоростью движется эскалатор, если друзья на последних соревнованиях показали одинаковый результат, пробежав такую же дистанцию со скоростью 2,1 м/с?

Всероссийская олимпиада школьников по физике (2017-2018 уч.год)

Школьный этап, 8 класс
Группа туристов, двигаясь цепочкой по обочине дороги со скоростью 3,6 км/ч, растянулась на 200 м. Замыкающий посылает велосипедиста к вожатому, который находится впереди группы. Велосипедист едет со скоростью 7 м/с; выполнив поручение, он тут же возвращается к замыкающему группы с той же скоростью. Через сколько времени после получения поручения велосипедист вернулся обратно? (11 баллов)
В каком случае подъемная сила у самодельного бумажного воздушного шара, заполненного горячим воздухом, больше: когда ребята запускали его в помещении школы или на дворе школы, где было довольно прохладно? (8 баллов)
В доску толщиной 5 см забили гвоздь длиной а=10 см так, что половина гвоздя прошла навылет. Чтобы вытащить его из доски, необходимо приложить силу 1,8 кН. Гвоздь вытащили из доски. Какую при этом совершили механическую работу? (11 баллов)
Некоторая установка, развивающая мощность 30 кВт, охлаждается проточной водой, текущей по спиральной трубке сечением 1 смІ. При установившемся режиме проточная вода нагревается на
·t=15°C. Определите скорость течения воды, предполагая, что вся энергия, выделяющаяся при работе установки, идет на нагревание воды. (12 баллов)

Всероссийская олимпиада школьников по физике (2017-2018 уч.год)

Школьный этап, 9 класс
Задача 1(10 баллов)Может ли при каких-либо условиях двояковыпуклая стеклянная линза рассеивать падающий на неё параллельный световой пучок? Ответ поясните.

Задача 2 (10 баллов)
На рисунке представлен график зависимости скорости автомобиля V от величины пройденного им пути S.
Какой путь преодолел автомобиль за первые 33 минуты и 30 секунд своего движения?

Задача 3.( 10 баллов)
В электрической цепи, представленной на схеме, сопротивления проводников R1 = 5 Ом и R2 = 10 Ом. Второй вольтметр показывает напряжение 8 В. Чему равно показание первого вольтметра? Вольтметры считать идеальными.

Задача 4.( 10 баллов)Два однородных кубика привели в тепловой контакт друг с другом (см. рисунок). Первый кубик изготовлен из цинка, длина его ребра 2 см, а начальная температура t1 = 1 °C. Второй кубик изготовлен из меди, длина его ребра 3 см, а начальная температура t2 = 74,2 °C. Пренебрегая теплообменом кубиков с окружающей средой, найдите температуру кубиков после установления теплового равновесия.

Задача 5. (10 баллов) Стальной шарик свободно падает с некоторой высоты. Во сколько раз его средняя скорость на протяжении первой половины времени полета меньше, чем средняя скорость на протяжении второй половины времени полета? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Всероссийская олимпиада школьников по физике (2017-2018 уч.год)

Школьный этап, 10 класс

1.Шарик, пущенный вверх по наклонной плоскости, проходит последовательно два равных отрезка длиной l каждый и продолжает двигаться дальше. Первый отрезок шарик прошел за t секунд, второй за 3t секунд. Найти скорость v шарика в конце первого отрезка пути.

2. Тело плавает в воде, погрузившись в нее на 3/4 своего объема. Какая часть объема тела будет погружена в глицерин? Плотность воды 1000 кг/м3, плотность глицерина 1250 кг/м3.

3. Из одинаковых резисторов по 10 Ом требуется составить цепь сопротивлением 6 Ом. Какое наименьшее количество резисторов для этого потребуется? Начертить схему цепи.

4. (10 баллов) Зеркальная дверь АОможет вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка и проходящей через точку О. МальчикМ и девочка D стоят перед дверью, как показано на рисунке, причем , . На какой угол  в направлении, указанном стрелкой, нужно повернуть дверь, чтобы мальчик перестал видеть в ней изображение девочки?

Радиус земной орбиты 150 млн. км, а радиус Солнца 700 000 км. Какова средняя плотность Солнца?
(10 баллов)

Всероссийская олимпиада школьников по физике (2017-2018 уч.год)

Школьный этап, 11 класс

Холодильные электростанции | Использование воды на электростанции для охлаждения

(Обновлено в сентябре 2020 г.)

• Объем охлаждения, необходимый для любой электростанции с паровым циклом (заданного размера), определяется ее тепловым КПД. По сути, это не имеет никакого отношения к тому, работает ли он на угле, газе или уране.
• Однако действующие в настоящее время атомные электростанции часто имеют немного более низкий тепловой КПД, чем угольные аналоги того же возраста, и угольные электростанции выбрасывают часть отработанного тепла с дымовыми газами, тогда как атомные станции используют воду.
• Атомные электростанции имеют большую гибкость в размещении, чем угольные электростанции, благодаря логистике топлива, что дает им больше возможностей для определения их местоположения с учетом соображений охлаждения.

Наиболее распространенные типы атомных электростанций используют воду для охлаждения двумя способами:

• Для передачи тепла от активной зоны реактора к паровым турбинам.
• Для отвода и сброса излишков тепла из этого парового контура. (На любой электростанции с паровым циклом / циклом Ренкина, такой как современные угольные и атомные электростанции, происходит потеря около двух третей энергии из-за внутренних ограничений на превращение тепла в механическую энергию.)

Чем больше разница температур между внутренним источником тепла и внешней средой, куда сбрасывается избыточное тепло, тем эффективнее процесс выполнения механической работы — в данном случае поворот генератора ^на . Следовательно, желательно иметь высокую температуру внутри и низкую температуру во внешней среде. Это соображение приводит к желательному размещению электростанций рядом с очень холодной водой. *

* Многие электростанции, ископаемые и атомные, зимой имеют более высокую полезную мощность, чем летом, из-за разницы в температуре охлаждающей воды.

1. Теплопередача парового цикла

Для передачи тепла от активной зоны вода непрерывно циркулирует в замкнутом паровом цикле и практически не теряется. ^b . Он превращается в пар первичным источником тепла, чтобы заставить турбину выполнять работу по выработке электричества, а затем он конденсируется и перенастраивается под давлением на источник тепла в замкнутой системе ^c . В любой такой системе требуется очень небольшое количество подпиточной воды.Вода должна быть чистой и достаточно чистой. ^г

Эта функция во многом одинакова, независимо от того, является ли электростанция атомной, угольной или газовой. Так работает любая электростанция парового цикла. Таким образом производится не менее 90% электроэнергии, не связанной с гидроэнергетикой, в каждой стране.

В атомной станции есть дополнительное требование. Когда установка, работающая на ископаемом топливе, закрывается, источник тепла удаляется. Когда атомная станция останавливается, некоторое количество тепла продолжает выделяться в результате радиоактивного распада, хотя деление прекратилось.Это должно быть надежно удалено, и установка спроектирована таким образом, чтобы обеспечить и гарантировать это, как с обычным охлаждением, так и с системами аварийного охлаждения активной зоны (САОЗ), предоставляемыми в случае серьезной проблемы с первичным охлаждением. Обычное охлаждение изначально заключается в том, что основной контур подачи пара проходит в обход турбины и сбрасывает тепло в конденсатор. После падения давления в системе отвода остаточного тепла используется собственный теплообменник. Интенсивность этого остаточного тепла уменьшается со временем, сначала быстро, а через день или два перестает быть проблемой, если циркуляция поддерживается.*

* Когда ядерный реактор Kashiwazaki-Kariwa 7 автоматически остановился из-за сильного землетрясения в 2007 году, потребовалось 16 часов, чтобы температура охлаждающей жидкости снизилась с 287 до 100 ° C, чтобы он больше не закипал. «Холодный останов» — это когда первичный контур находится при атмосферном давлении и не кипит.

Остаточное тепло в топливе на реакторах Фукусима-дайити

2. Охлаждение для конденсации пара и отвода избыточного тепла

Вторая функция воды на такой электростанции — охлаждение системы с целью конденсации пара низкого давления и его рециркуляции.Поскольку пар во внутреннем контуре конденсируется обратно в воду, избыточное (отходящее) тепло, которое удаляется из него, необходимо отводить путем передачи в воздух или в водоем. Это главное соображение при выборе площадок для электростанций, и в исследовании по выбору площадок для АЭС в Великобритании в 2009 году все рекомендации касались площадок в пределах 2 км от обильных водоемов — моря или устья.

Эту функцию охлаждения для конденсации пара можно выполнить одним из трех способов:

• Прямое или «прямоточное» охлаждение.Если электростанция находится рядом с морем, большой рекой или большим внутренним водоемом, это можно сделать, просто пропустив большое количество воды через конденсаторы за один проход и сбросив ее обратно в море, озеро или реку. на несколько градусов теплее и без особых потерь от выведенной суммы. ^e Это самый простой способ. Вода может быть соленой или пресной. Некоторое небольшое количество испарения будет происходить за пределами участка из-за того, что вода на несколько градусов теплее.
• Рециркуляционное или непрямое охлаждение. Если у электростанции нет доступа к обильному количеству воды, охлаждение может быть выполнено путем пропускания пара через конденсатор, а затем с использованием градирни, где восходящий поток воздуха через капли воды охлаждает воду. Иногда для охлаждения воды может быть достаточно пруда или канала. Обычно охлаждение происходит в основном за счет испарения, при этом простая передача тепла воздуху имеет меньшее значение. Градирня испаряет до 5% потока, а охлажденная вода затем возвращается в конденсатор электростанции.3–5% или около того эффективно расходуются, и их необходимо постоянно заменять. Это основной тип рециркуляционного или непрямого охлаждения.
• Сухое охлаждение. Некоторые электростанции охлаждаются просто воздухом, не полагаясь на физику испарения. Это могут быть градирни с замкнутым контуром или поток воздуха с высокой принудительной тягой, проходящий через ребристый узел, такой как автомобильный радиатор.

На электростанции, работающей на ископаемом топливе, часть тепла выделяется с дымовыми газами.На большой угольной электростанции около 15% отходящего тепла проходит через дымовую трубу, тогда как на атомной электростанции практически все отходящее тепло должно сбрасываться в охлаждающую воду конденсатора. Это приводит к некоторой разнице в потреблении воды на атомной и угольной электростанциях. (Газотурбинная установка выбрасывает большую часть отработанного тепла в выхлопные газы.)

Помимо этого, и помимо размера, любые различия между установками связаны с термическим КПД , то есть тем, сколько тепла должно быть выброшено в окружающую среду, что, в свою очередь, в значительной степени зависит от рабочей температуры в парогенераторах.В электростанции, работающей на угле или обычном газе, можно эксплуатировать внутренние котлы при более высоких температурах, чем в котлах с тонко спроектированными ядерными топливными сборками, которые должны избегать повреждений. Это означает, что эффективность современных угольных электростанций, как правило, выше, чем у атомных электростанций, хотя это внутреннее преимущество может быть нивелировано средствами контроля выбросов, такими как десульфуризация дымовых газов (FGD) и, в будущем, улавливание и хранение углерода (CCS). .

Атомная или угольная электростанция, работающая с тепловым КПД 33%, должна будет сбрасывать примерно на 14% больше тепла, чем электростанция с КПД 36%. ^f Строящиеся в настоящее время атомные станции имеют тепловой КПД около 34-36%, в зависимости от места (особенно температуры воды). Более старые часто эффективны только на 32-33%. Относительно новая угольная электростанция Stanwell в Квинсленде работает на 36%, но некоторые новые угольные электростанции приближаются к 40%, а один из новых ядерных реакторов требует 39%.

Некоторые тепловые КПД различных технологий сжигания угля

Прогнозируемые затраты на производство электроэнергии, ОЭСР, 2010 г. , таблицы 3.3; Викторианский бурый уголь из отчета ESAA 2010

PCC = сжигание пылевидного угля, AC = с воздушным охлаждением, WC = с водяным охлаждением

(В этом отчете нет данных по ядерной эффективности, но сопоставимый КПД поколения III часто указывается как около 36%, см. Таблицу ниже)

Избранные примеры действующих ядерных энергетических реакторов

Справочник по ядерной инженерии Данные за 2010 год.Чистая мощность (МВт) — это за вычетом потерь от фактического энергопотребления станции. BWR = реактор с кипящей водой, PWR = реактор с водой под давлением, PHWR = реактор с тяжелой водой под давлением (CANDU). FBR = реактор-размножитель на быстрых нейтронах (при более высокой температуре).

В Европе (особенно в Скандинавии) низкая температура воды является важным критерием для размещения электростанции. Что касается планируемой турецкой атомной электростанции, то производительность будет увеличиваться на один процент, если какая-либо конкретная станция будет расположена на побережье Черного моря с более прохладной водой (в среднем на 5 ° C ниже), чем на побережье Средиземного моря.Для новых атомных электростанций в ОАЭ, поскольку морская вода в заливе в Браке составляет около 35 ° C, а не около 27 ° C, как в эталонных блоках Shin Kori 3 и 4, потребуются более крупные теплообменники и конденсаторы.

Согласно отчету Министерства энергетики (DOE) за 2006 год, обсуждаемому в Приложении, в США 43% тепловых электрических генерирующих мощностей используют прямоточное охлаждение, 42% влажное рециркуляционное охлаждение, 14% бассейны-охладители и 1% сухое охлаждение (это только газовый комбинированный цикл). Спреды для угля и для атомной энергетики одинаковы.Для 104 АЭС США: 60 используют прямоточное охлаждение, 35 используют мокрые градирни и 9 используют двойные системы, переключаемые в зависимости от условий окружающей среды. Это распределение, вероятно, похоже на континентальную Европу и Россию, хотя АЭС Великобритании используют только прямоточное охлаждение морской водой, как и все электростанции в Швеции, Финляндии, Канаде (вода Великих озер), Южной Африке, Японии, Кореи и Китае. По данным МАГАТЭ, 45% атомных станций используют море для прямоточного охлаждения, 15% используют озера, 14% реки и 26% используют градирни.

Газовым установкам с комбинированным циклом (газовая турбина с комбинированным циклом — CCGT) требуется лишь около одной трети инженерного охлаждения по сравнению с обычными тепловыми установками (много тепла выделяется в выхлопе турбины), и они часто используют сухое охлаждение на второй стадии. *

* Установки ПГУ имеют газовую турбину (реактивный двигатель), работающую на жидком топливе или газе, соединенную с генератором. Выхлоп пропускается через парогенератор, а пар используется для привода другой турбины. Это приводит к общему тепловому КПД более 50%.Пар во второй фазе должен конденсироваться либо с помощью конденсатора с воздушным охлаждением, либо с помощью влажного охлаждения.

Установки комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ), очевидно, нуждаются в меньшем количестве технических средств охлаждения, чем другие, поскольку побочное тепло фактически используется для чего-то, а не рассеивается бесполезно.

Из-за потерь тепла через дымовые газы в дымовой трубе угольные электростанции простого цикла имеют более низкую нагрузку отвода тепла через конденсатор и систему охлаждения, чем атомные электростанции простого цикла.Однако они также нуждаются в воде для очистки и удаления угольной золы, что уменьшает разницу между потребностями в воде для атомных и угольных электростанций. Основная разница, оцениваемая Исследовательским институтом электроэнергетики США (EPRI) как обычно в 15-25%, не является достаточно значительной, чтобы быть фактором при выборе между атомной энергетикой и углем. EPRI считает, что в целом доступная экономия воды за счет таких подходов, как воздушное охлаждение, нетрадиционные источники воды, потоки сточных вод заводов по переработке и повышение эффективности преобразования тепловой энергии, намного перевешивает любые различия между потребностями в воде для атомных станций и угля.

Диаграмма в World Energy Outlook 2016 показывает, что для прямоточного охлаждения атомные и традиционные угольные электростанции очень похожи как по потреблению, так и по расходу литров на МВтч, но газовая ПГУ и сверхкритический уголь значительно меньше. Для влажного градирни ядерная энергия имеет больший объем извлечения, но меньшее потребление, чем обычный уголь.

EPRI 2010 (около 15% отработанного тепла угольных электростанций отводится через дымовую трубу, а не через охлаждающую воду).NB галлон США = 3,79 литра

Прямое или прямоточное влажное охлаждение

Если угольная или атомная электростанция находится рядом с большим объемом воды (большая река, озеро или море), охлаждения можно добиться, просто пропустив воду через станцию ​​и выпустив ее при немного более высокой температуре. В этом случае вряд ли есть смысл в смысле потребления или истощения на месте, хотя некоторое испарение будет происходить по мере охлаждения ниже по потоку. Требуемое количество воды будет больше, чем в рециркуляционной установке, но вода забирается и возвращается, а не расходуется на испарение.В Великобритании потребность в водозаборе для атомного блока мощностью 1600 МВт составляет около 90 кубических метров в секунду (7,8 GL / день).

Многие атомные электростанции имеют прямоточное охлаждение (OTC), поскольку их расположение вообще не определяется источником топлива и зависит, во-первых, от того, где требуется мощность, а во-вторых, от наличия воды для охлаждения. Использование морской воды означает, что для предотвращения коррозии необходимо использовать материалы более высокого качества, но охлаждение часто оказывается более эффективным. Согласно исследованию французского правительства, проведенному в 2008 году, размещение РОП на реке, а не на побережье снизило бы его производительность на 0.9% и увеличить стоимость кВтч на 3%.

Любая атомная или угольная электростанция, которая обычно охлаждается за счет забора воды из реки или озера, будет иметь ограничения на температуру возвращаемой воды (обычно 30 ° C) и / или на разницу температур между входом и выходом. В жарких летних условиях даже поступающая из реки вода может приближаться к установленному пределу сброса, и это будет означать, что установка не сможет работать на полную мощность. В середине 2010 года TVA пришлось снизить энергопотребление на своих трех установках Browns Ferry в Алабаме до 50%, чтобы поддерживать температуру воды в реке ниже 32 ° C, что обошлось клиентам в 50 миллионов долларов.На этой неделе температура Рейна и Неккара в Баден-Вюртемберге приблизилась к критическим 28 ° C, а атомные и угольные электростанции оказались под угрозой закрытия. В августе 2012 года один блок электростанции Миллстоун в Коннектикуте был закрыт из-за того, что морская вода в проливе Лонг-Айленд превысила 24 ° C, но в 2014 году NRC разрешил использовать морскую воду с температурой до 26,7 ° C. Атомная электростанция Турция-Пойнт во Флориде использует 270 км открытых каналов для охлаждения воды конденсатора, а в 2014 году NRC одобрил увеличение предельной температуры на входе до 40 ° C с 37.8 ° С.

Иногда для помощи используется дополнительная градирня, создавая двойную систему, как, например, на заводах TVA Browns Ferry и Sequoyah в США, на многих заводах во Франции и Германии, а также на заводе Huntly в Новой Зеландии, но это означает, что немного воды затем теряется при испарении. В середине 2010 года, когда упоминалась выше ситуация с паромом Brown’s Ferry, шесть «сезонных» градирен с механической тягой высотой 18-24 м работали на полную мощность и проработали большую часть лета. TVA потратила 160 миллионов долларов на добавление одной более крупной (около 50 м) градирни с механической тягой, введенной в эксплуатацию в 2012 году, и постепенно заменяет четыре существующие градирни улучшенной конструкции.

Рециркуляционное или непрямое влажное охлаждение

Если на электростанции мало воды, она может отводить излишки тепла в воздух с помощью систем рециркуляции воды, которые в основном используют физику испарения.

Градирни с рециркуляцией воды — обычная визуальная особенность электростанций, часто наблюдаемая с шлейфами конденсированного водяного пара. Иногда в прохладном климате можно использовать просто пруд, из которого испаряется горячая вода.

Большинство атомных электростанций (и других тепловых) с рециркуляционным охлаждением охлаждаются водой в контуре конденсатора, а горячая вода затем направляется в градирню.При этом может использоваться либо естественная тяга (эффект дымохода), либо механическая тяга с использованием больших вентиляторов (позволяющая получить гораздо более низкий профиль, но с использованием мощности *). Охлаждение в градирне происходит за счет передачи тепла воды воздуху, как напрямую, так и за счет испарения части воды. В Великобритании потребность в воде для атомного блока мощностью 1600 МВт составляет около 2 кубических метров в секунду (173 МЛ / сут), это примерно половина для испарения и половина для продувки (см. Ниже).

* Chinon B во Франции (4×905 МВт) и предлагаемый завод Calvert Cliffs в США (1650 МВт) используют низкопрофильные градирни с наддувом.В Chinon B одна градирня на блок имеет высоту 30 м (вместо 155 м, необходимых для этого типа с естественной тягой), диаметр 155 м и использует 8 МВт (эл.) Для своих 18 вентиляторов (0,9% мощности). На Calvert Cliffs вентиляторы градирни будут потреблять около 20 МВт (1,2%) мощности.

Chinon B, Франция, с низкопрофильными градирнями с наддувом

Кредит: EDF / Марк Мурсо

Наиболее распространенная конфигурация градирен с естественной тягой называется противоточной.Эти башни имеют большую бетонную оболочку с теплообменной «заливкой» в слое над входом холодного воздуха в основании оболочки. Воздух, нагретый горячей водой, поднимается вверх через кожух за счет конвекции (эффект дымохода), создавая естественную тягу, обеспечивающую поток воздуха для охлаждения горячей воды, распыляемой сверху. Другие конфигурации включают поперечный поток, когда воздух движется поперечно через воду, и прямоток, когда воздух движется в том же направлении, что и капли воды. Эти башни не требуют вентиляторов и имеют низкие эксплуатационные расходы, но значительные затраты на техническое обслуживание.Для большого растения они могут быть высотой более 200 метров. Они используются на крупных атомных и угольных электростанциях в Европе, восточной части США, Австралии и Южной Африке

Градирни с механической тягой имеют большие осевые вентиляторы, выполненные из дерева и пластика. Вентиляторы обеспечивают воздушный поток и могут обеспечивать более низкую температуру воды, чем градирни с естественной тягой, особенно в жаркие засушливые дни. Однако у них есть недостаток, заключающийся в том, что для них требуется вспомогательная энергия, обычно около 1% от мощности установки, но не более 1.2% от этого. Вытяжные градирни с механической вытяжкой используются исключительно в центральной и западной части США, поскольку они могут обеспечивать более контролируемую производительность в широком диапазоне условий, от замораживания до жарких и сухих. Кроме того, они менее заметны, их высота не превышает 50 метров.

Такие градирни приводят к расходу воды, при этом испаряется до 3,0 литров на каждый произведенный киловатт-час ^г , в зависимости от условий ^ч . Эта потеря воды при испарении из-за фазового перехода нескольких процентов ее из жидкости в пар отвечает за отвод большей части тепла от охлаждающей воды за счет лишь небольшой части объема циркулирующей жидкости (хотя и довольно большой доли воды, фактически забираемой из озера или ручья).Считается, что потребление воды при испарении обычно примерно вдвое больше, чем при прямом охлаждении.

Градирни с рециркуляцией воды снижают общий КПД электростанции на 2-5% по сравнению с прямоточным использованием воды из моря, озера или большого ручья, количество зависит от местных условий. Согласно исследованию Министерства энергетики США, проведенному в 2009 году, они примерно на 40% дороже, чем прямая прямоточная система охлаждения.

Вода, испаряющаяся из градирни, приводит к увеличению концентрации примесей в оставшемся теплоносителе.Некоторый слив — известный как «продувка» — необходим для поддержания качества воды, особенно если вода в первую очередь используется для повторного использования городских сточных вод — как, например, в Пало-Верде, штат Аризона *, и предлагается для завода в Иордании Мадждал. Таким образом, необходимая замена воды примерно на 50% больше, чем фактическая замена испарением, поэтому система такого типа потребляет (за счет испарения) до 70% забираемой воды.

* Около 220 мл очищенных сточных вод в день перекачивается в 70 км от Феникса, Азия, на трехблочную станцию ​​мощностью 3875 МВт (эл.).Испарение составляет 76 мл / день на единицу, а продувка 4,7 мл / день при солености примерно такой же, как у морской воды, сбрасываемой в пруды-испарители, следовательно, используется около 2,6 л / кВтч. Он имеет три градирни с механической тягой для каждого блока.

Даже при относительно невысокой чистой потребности в воде для рециркуляционного охлаждения большие электростанции могут превосходить то, что летом легко достается из реки. На атомной электростанции Civaux мощностью 3000 МВт (эл.) Во Франции в плотинах выше по течению хранится 20 GL воды, чтобы обеспечить адекватное снабжение в условиях засухи.

На некоторых атомных станциях используются бассейны-охладители, которые представляют собой другой тип охлаждения с замкнутым циклом, снижающий потери на испарение, связанные с градирнями. Пруды-охладители требуют значительного количества земли и могут оказаться невозможными по другим причинам. Преимущество пруда-охладителя заключается в том, что он передает больший процент отработанного тепла в атмосферу посредством конвекции или более медленного испарения из-за более низких перепадов температур, что снижает скорость испарения и, таким образом, скорость потребляемых потерь воды по сравнению с градирнями.Кроме того, их воздействие на окружающую среду обычно меньше, чем прямое охлаждение.

Несмотря на то, что на многих угольных и атомных электростанциях используются мокрые градирни, в США на производство электроэнергии приходится только около 3% всего потребления пресной воды, согласно Геологической службе США — около 15,2 гигалитра в день (5550 GL / год). Это было бы просто для внутренних угольных и атомных станций без доступа к обильному количеству воды для прямоточного охлаждения. Австралийские угольные электростанции потребляют около 290 GL / год ^и , что эквивалентно двум третям водоснабжения Мельбурна.

Сухое охлаждение

В тех случаях, когда доступ к воде еще более ограничен или приоритетом являются экологические и эстетические соображения, для обычных реакторов могут быть выбраны методы сухого охлаждения. Как следует из названия, в этом случае в качестве среды передачи тепла используется воздух, а не испарение из контура конденсатора. Сухое охлаждение означает, что потеря воды минимальна. Доступны два основных типа технологий сухого охлаждения.

Одна конструкция работает как автомобильный радиатор и использует принудительную тягу с высоким потоком через систему ребристых трубок в конденсаторе, через которые проходит пар, просто передавая свое тепло напрямую окружающему воздуху.В этом случае вся электростанция использует менее 10% воды, необходимой для установки с влажным охлаждением ^j , но некоторая мощность (около 1–1,5% выходной мощности электростанции) потребляется необходимыми большими вентиляторами. ^k Это прямое сухое охлаждение с использованием конденсатора с воздушным охлаждением (ACC), и единственная атомная электростанция, на которой он обычно используется, — это очень маленькие реакторы в Билибино в арктической зоне вечной мерзлоты в Сибири, хотя THTR-300 экспериментальный реактор в Германии в 80-е годы также имел воздушное охлаждение.

В качестве альтернативы может все еще существовать контур охлаждения конденсатора, как в случае с влажным рециркуляционным охлаждением, но вода в нем закрывается и охлаждается потоком воздуха, проходящим через оребренные трубы в градирне. * Тепло передается воздуху, но неэффективно. Эта технология не является предпочтительной, если возможно влажное охлаждение в зависимости от испарения, но потребление энергии составляет всего 0,5% от выхода.

Резервная система отвода остаточного тепла, вводимая в эксплуатацию на атомной электростанции Ловииса в Финляндии в 2015 году, имеет две градирни: одна для системы отвода остаточного тепла, подключенной к парогенераторам, а другая — для других нужд, включая топливо. бассейны.Они могут сначала перевести установку в режим горячего, а затем в холодный режим.

* Некоторые градирни с механической тягой представляют собой гибридную конструкцию, включающую сухую часть над мокрой. Используемый режим охлаждения зависит от сезона, при этом предпочтительнее сухое охлаждение в более холодные месяцы.

В обоих случаях нет зависимости от испарения и, следовательно, потерь охлаждающей воды на испарение. Использование вентиляторов также позволяет лучше контролировать охлаждение, чем просто использование естественной тяги.Однако теплопередача намного менее эффективна и, следовательно, требует гораздо более крупной охлаждающей установки, которая механически более сложна. Компания Eskom в Южной Африке указывает, что установки с сухим охлаждением имеют общее потребление воды менее 0,8 л / кВт · ч, что относится к потерям в паровом цикле (сравните примерно 2,5 л / кВт · ч для установок с влажным охлаждением). Eskom строит две из крупнейших угольных электростанций в мире — каждая мощностью 6 x 800 МВт, — и одна из них будет крупнейшей в мире электростанцией с сухим охлаждением.

Вряд ли какие-либо генерирующие мощности в США используют сухое охлаждение, а в Великобритании оно было исключено как непрактичное и ненадежное (в жаркую погоду) для новых атомных станций.В исследовании Министерства энергетики США в 2009 году говорится, что они в три-четыре раза дороже, чем рециркуляционная система влажного охлаждения. Во всех заявках на получение лицензии на новые установки в США сухое охлаждение отвергалось как неосуществимое или неприемлемое из-за потери эффективности выработки электроэнергии и значительно более высоких капитальных и эксплуатационных затрат. Для больших блоков также существуют последствия для безопасности, связанные с отводом остаточного тепла после аварийного останова с потерей мощности. В Иране четыре немецких реактора мощностью 1300 МВт, запланированные в 1970-х годах в Исфахане и Савехе, должны были использовать сухое охлаждение, с двумя градирнями высотой 260 м и диаметром 170 м каждая.Маловероятно, что в обозримом будущем крупные атомные станции перейдут на сухое охлаждение.

Однако два американских малых модульных реактора (SMR) — Holtec SMR-160 и B&W mPower — используют или могут использовать сухое охлаждение, что дает гораздо большую гибкость при выборе места установки. B&W заявляет о 31% тепловом КПД при использовании конденсатора с воздушным охлаждением, а также о снижении мощности со 180 МВт для водяного охлаждения до 155 МВт для охлаждения с воздушным конденсатором в результате снижения термодинамической эффективности.В модуле реактора NuScale 60 МВт, который планируется построить в Национальной лаборатории штата Айдахо, будет использоваться сухое охлаждение, что снизит потребление воды примерно на 90% и снизит выходную мощность на 5-7%.

Оба типа сухого охлаждения связаны с большими затратами на установку охлаждения и намного менее эффективны, чем водяные градирни, использующие физику испарения. плавники, а не испарением. В жарком климате температура окружающего воздуха может составлять 40 градусов C, что сильно ограничивает охлаждающий потенциал по сравнению с температурой по влажному термометру около 20 градусов, что определяет потенциал для влажной системы.Однако, если модернизируются сухие системы, влажная система по-прежнему доступна для жаркой погоды.

Австралийские прогнозируемые данные по углю * показывают снижение теплового КПД воздушного охлаждения на 32% по сравнению с водяным, например. с 33% до 31%.

* В ОЭСР Прогнозируемые затраты на производство электроэнергии 2010, таблицы 3.3.

Вода является ограничением для производства электроэнергии на угле во внутреннем Китае, большая часть которого находится в регионах с дефицитом воды. Модернизация системы воздушного охлаждения снижает эффективность на 3-10% и, как сообщается, стоит около 200 миллионов долларов на 1000 МВтэ мощности * — около 2.5 центов / кВтч. World Energy Outlook 2015 сообщает, что более 100 ГВт угольных электростанций в северном Китае (12% всего угольного парка) используют сухое охлаждение, и ожидается, что потребность в нем будет расти. В частности, около 175 ГВт установленной мощности по сжиганию угля необходимо модернизировать с использованием сухого охлаждения. Из-за высокой стоимости транспортировки угля, более чем в три раза превышающей стоимость добычи от Синьцзяна до восточного побережья, много новых мощностей строится рядом с шахтами на севере, а энергия передается на юг по линиям HVDC.Прирост стоимости сухого охлаждения показан примерно на уровне 0,7 долл. США / МВт-ч, как и стоимость HVDC.

* Финансовый отчет Bloomberg New Energy от 25 марта 2013 г.

Китай планирует построить небольшие модульные реакторы на расплаве соли, которые станут энергетическим решением на северо-западе страны, где мало воды и низкая плотность населения. Применение безводного охлаждения в засушливых регионах с использованием реакторов TMSR-SF предусматривается в конце 2020-х годов. Помимо твердотопливных конструкций, планируется установка MSR на жидком топливе мощностью 168 МВт (эл.).Отвод остаточного тепла пассивный, путем охлаждения полости.

Экологические и социальные аспекты охлаждения

Каждый из различных методов охлаждения влечет за собой свой собственный набор местных экологических и социальных воздействий и подлежит регулированию.

В случае прямого охлаждения, воздействия включают количество забираемой воды и воздействие на организмы в водной среде, особенно на рыбу и ракообразных. Последнее включает в себя как убой из-за столкновения (отлов более крупной рыбы на экранах), так и увлечение (вытягивание более мелкой рыбы, икры и личинок через системы охлаждения), а также изменение условий экосистемы, вызванное повышением температуры сбрасываемой воды.

В случае мокрых градирен воздействия включают потребление воды (в отличие от простого забора) и эффекты визуального шлейфа пара, выбрасываемого из градирни. Многие люди считают такие шлейфы помехой, в то время как в холодных условиях некоторые конструкции башен допускают образование льда, который может покрывать землю или близлежащие поверхности. Другой возможной проблемой является унос, когда в каплях воды могут присутствовать соль и другие загрязнители.

Со временем знания об этих эффектах расширились, воздействия были количественно оценены, и были разработаны решения.Технические решения (такие как рыбные сетки и каплеуловители) могут эффективно смягчить многие из этих воздействий, но с соответствующими затратами, которые возрастают со сложностью.

На атомной станции, за исключением незначительного хлорирования, охлаждающая вода не загрязняется при использовании — она ​​никогда не контактирует с ядерной частью станции, а только охлаждает конденсатор в машинном зале.

В региональном и глобальном масштабе менее эффективные средства охлаждения, особенно сухое охлаждение, приведут к увеличению связанных выбросов на единицу отправляемой электроэнергии.Это больше беспокоит электростанции, работающие на ископаемом топливе, но, возможно, имеет последствия и для ядерной энергетики с точки зрения образующихся отходов.

Что касается политики, то в одном отчете Министерства энергетики США отмечается, что основным эффектом Закона США о чистой воде является регулирование воздействия использования охлаждающей воды на водную флору и фауну, и это уже приводит к выбору рециркуляционных систем вместо прямоточных для пресная вода. Это приведет к увеличению расхода воды, если не будут использоваться более дорогие и менее эффективные системы сухого охлаждения.Это поставит атомную энергетику в невыгодное положение по сравнению со сверхкритическим углем, хотя требования по десульфуризации дымовых газов (FGD) для угля выровняют водный баланс, по крайней мере, до некоторой степени, а любое будущее улавливание и хранение углерода (CCS) еще больше ухудшит уголь.

В августовском отчете Национальной лаборатории энергетических технологий (NETL) Министерства энергетики США были проанализированы последствия введения новых экологических норм для угольных электростанций в США. Ожидается, что надвигающееся нормотворчество Агентства по охране окружающей среды в феврале 2011 года обяжет использование градирен в качестве «наилучшей доступной технологии» для минимизации воздействия на окружающую среду от водозаборов, вместо того, чтобы позволять проводить оценки для конкретных участков и анализ затрат и выгод для определения наилучшего варианта из возможных. ряд проверенных технологий для защиты водных видов.Это может означать, что на всех новых заводах — и, возможно, на многих существующих установках — необходимо установить градирни вместо использования прямоточного охлаждения, которое требует много воды, но около 96% ее возвращается, немного теплее. Градирни, будучи более дорогими, работают за счет испарения большого количества воды, создавая нагрузку на запасы пресной воды — согласно отчету, они потребляют 1,8 л / кВт · ч, по сравнению с менее 0,4 л / кВт · ч для прямоточного охлаждения. . В отчете NETL отмечается, что прогнозируемое увеличение использования воды на угольных электростанциях в течение следующих двух десятилетий, если прямое охлаждение больше не будет разрешено на новых станциях, не влияет на вероятность того, что многие угольные электростанции добавят технологию улавливания и хранения углерода (CCS) в свои системы. ограничивают выбросы углерода в США, тем самым увеличивая потребление воды еще на 30-40%.

Исследование, проведенное в 2010 году Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI), показало, что общая стоимость модернизации электростанций США с градирнями превысит 95 миллиардов долларов. Стоимость только 39 АЭС (63 реактора) составит почти 32 миллиарда долларов. Исследование EPRI охватывало 428 электростанций США с прямоточными системами охлаждения, которые потенциально подпадали под действие пересмотренных правил Агентства по охране окружающей среды США, якобы для защиты водных организмов от попадания в водозаборные сооружения охлаждающей воды.Как отмечалось выше, в соответствии с предлагаемыми поправками к Закону о чистой воде EPA могло бы потребовать, чтобы охлаждение замкнутого цикла было «наилучшей доступной технологией» для сведения к минимуму неблагоприятного воздействия на окружающую среду для водных организмов. В исследовании EPRI рассматривались капитальные затраты, потери доходов от продолжительных отключений, необходимых для изменения систем, и затраты, связанные с потерями в эффективности установки, включая увеличение потребления энергии вентиляторами и насосами в системах охлаждения с замкнутым циклом. Такое изменение обойдется 311 миллионам граждан США в 305 долларов на человека, чтобы модернизировать все электростанции с прямоточной системой охлаждения, «чтобы устранить практически несуществующее воздействие на окружающую среду, согласно научным исследованиям популяций водных организмов на этих станциях», — говорится в сообщении. Институт ядерной энергии, промышленная ассоциация США.

В мае 2014 года EPA издало окончательное правило для водозаборов, охватывающее 1065 заводов и фабрик, которое позволяет существующим предприятиям использовать ряд вариантов защиты водных организмов, хотя новым потребуются системы замкнутого цикла. *

* NEI прокомментировал: «Градирни потребляют вдвое больше воды из водоемов, которые мы хотим защитить, по сравнению с прямоточными системами охлаждения. Этот факт очень важен с учетом прогнозов о том, что большая часть нашей страны столкнется с нехваткой водных ресурсов в будущем.Технологические решения для водозабора охлаждающей воды электростанции могут быть очень эффективными в защите рыб и могут учитывать экологическое разнообразие различных участков. Как EPA ранее указывало, такие решения, как передвижные экраны с системой сбора и возврата, сопоставимы с градирнями в защите водных организмов в водоемах, используемых для охлаждения электростанций ».

Во Франции все атомные электростанции EdF, кроме четырех (14 реакторов), находятся внутри страны и требуют пресной воды для охлаждения.Одиннадцать из 15 внутренних станций (32 реактора) имеют градирни с испарительным охлаждением, остальные четыре (12 реакторов) напрямую используют речную или озерную воду. При нормативных ограничениях на повышение температуры в водоприемниках это означает, что в очень жаркое лето выработка электроэнергии может быть ограничена. *

* Например, в Бугее максимальное повышение температуры воды летом обычно составляет 7,5 ° C, а летом — 5,5 ° C, при максимальной температуре нагнетания 30 ° C (34 ° C летом) и максимальной температуре ниже по течению 24 ° C (26 ° C разрешено до 35 лет. дней).Для заводов, использующих прямое охлаждение с моря, допустимое повышение температуры на море составляет 15 ° C.

В США заводы, использующие прямое охлаждение от рек, должны снижать мощность в жаркую погоду. Три агрегата Browns Ferry компании TVA работают на 50%, в то время как температура в реке превышает 32 ° C.

За одним исключением, все атомные электростанции в Великобритании расположены на побережье и используют прямое охлаждение. В исследовании 2009 года, проведенном в Великобритании по выбору места для нового строительства атомной электростанции, все рекомендации относились к площадкам в пределах 2 км от обильных водоемов — моря или устья.

Австралийское исследование, предлагающее возобновляемые источники энергии (ветряные и солнечные) для объекта в Южной Австралии, предлагает цифру 0,74 GL / год использования воды для очистки зеркал (гелиостатов) на установке CSP общей мощностью 540 МВт, 2810 ГВт / год, следовательно, 0,26 L / кВтч.

При сравнении потребности в воде атомных электростанций и электростанций, работающих на угле, необходимо учитывать использование воды помимо охлаждения. При очистке и транспортировке угля, а также при удалении золы часто используется много воды. Это может вызвать загрязнение, как и стоки с угольных складов.

Будущие последствия требований к охлаждению для ядерной энергетики

Пресная вода — ценный ресурс в большинстве частей мира. Там, где его совсем мало, общественное мнение поддерживает политику правительства, основанную на здравом смысле, чтобы свести к минимуму ее растрату.

Помимо близости к основным центрам нагрузки, нет причин размещать атомные электростанции вдали от побережья, где они могут использовать прямоточное охлаждение морской водой. При размещении угольных заводов необходимо учитывать логистику поставок топлива (и связанный с этим эстетический вид), поскольку на каждую станцию ​​мощностью 1000 МВт в год требуется более трех миллионов тонн угля в год.

«Потребление воды атомными станциями является значительным, но лишь немного выше, чем потребление воды угольными станциями. Атомные станции работают при относительно более низких температуре и давлении пара, и, следовательно, более низкий КПД цикла, что, в свою очередь, требует более высоких расходов охлаждающей воды. Угольные заводы с более высокой эффективностью могут охлаждаться с использованием немного меньшего количества воды на единицу мощности, но разница небольшая. *

* Проблемы и возможности охлаждающей воды на АЭС США, октябрь 2010 г., INL / EXT-10-2028.

Если какая-либо тепловая электростанция — угольная или атомная — должна быть расположена внутри страны, наличие охлаждающей воды является ключевым фактором в месте расположения. Там, где количество охлаждающей воды ограничено, большое значение имеет высокий тепловой КПД, хотя любое преимущество, скажем, сверхкритического угля по сравнению с ядерным, вероятно, будет значительно уменьшено из-за потребности в воде для FGD.

Даже если количество воды настолько ограничено, что ее нельзя использовать для охлаждения, тогда установка может быть размещена вдали от требований нагрузки и там, где имеется достаточно воды для эффективного охлаждения (с учетом некоторых потерь и дополнительных затрат на передачу) ^м .

поколения III + имеют высокий тепловой КПД по сравнению с более старыми, и не должны находиться в невыгодном положении по сравнению с углем с точки зрения использования воды.

Соображения по ограничению выбросов парниковых газов, конечно, будут накладываться на вышеизложенное. Данные Министерства энергетики США показывают, что улавливание CO2 увеличит потребление воды на угольных и газовых электростанциях на 50-90%, что сделает первые более водоемкими, чем атомные. *

* «Требования к воде для существующих и новых технологий термоэлектрических установок» DOE / NETL-402/080108, август 2008 г.

Еще одно значение связано с когенерацией, использующей отходящее тепло атомной электростанции на побережье для опреснения MSF. В большинстве случаев опреснения на Ближнем Востоке и в Северной Африке уже используется отходящее тепло от нефтегазовых электростанций, и в будущем ряд стран ожидают использования ядерной энергии для этой роли когенерации. См. Также информационный документ по ядерному опреснению.

ПРИЛОЖЕНИЕ: Комментарий к отчетам США

Очевидно, что кроме тепла, отводимого с дымовыми газами от угольной установки, и любой разницы в тепловом КПД, которая влияет на количество тепла, сбрасываемого в систему охлаждения, нет реальной разницы в количестве воды, используемой для охлаждение атомных электростанций по сравнению с угольными электростанциями того же размера.Однако в некоторых исследованиях в США указывается на существенное различие между угольными и атомными станциями, очевидно, связанное с (неустановленным) тепловым КПД выбранных примеров. Исследования исключают атомные станции на побережье, которые используют для охлаждения соленую воду.

Технический отчет EPRI за март 2002 года: Вода и устойчивость (том 3): Потребление воды в США для производства электроэнергии — следующие полвека. направлен на оценку будущего потребления воды, связанного с производством электроэнергии в США, примерно до 2020 года.Он использует некоторые «типичные» цифры забора и потребления воды, которые показывают заметные различия между углем и атомной электростанцией, без указания источника и объяснения их величины. Он ориентирован только на пресную воду и игнорирует растения с охлаждением морской водой. Его выводы представлены на региональной основе в свете прогнозируемого увеличения количества поколений и вероятных изменений в технологиях производства, таких как переход от угля к газу комбинированного цикла.

EPRI указывает, что этот отчет за 2002 год заменен отчетом за 2008 год: «Использование воды в производстве электроэнергии», но его нет в открытом доступе.Отчеты за 2002 и 2008 годы основаны на примерах из общедоступных данных и базах данных EPRI, которые предоставляют информацию об использовании охлаждающей воды и отклонении тепла для нескольких объектов. Цифры, представленные в этих отчетах и ​​приведенная выше гистограмма, в целом представляют потребности в водопользовании. Полученные EPRI числа постоянно были примерно на 10% ниже, чем аналогичные числа, предоставленные DOE, поскольку DOE использует теоретические расчеты для получения своих показателей водопользования, а не усреднение фактических данных по растениям, как в подходе EPRI.

Другие отчеты по оценке потребностей в пресной воде взяты из Национальной лаборатории энергетических технологий Министерства энергетики США в 2006 году с обновлением за 2008 год и более общие отчеты за 2009 год. Первые два рассчитаны на 2030 год и используют пять сценариев охлаждения, применяемых к региональные прогнозы прироста и выбытия. Здесь предположения для будущих угольных электростанций: 70% сверхкритических ⁿ и 30% подкритических, причем первые имеют очень высокий тепловой КПД, по сравнению с любой атомной станцией поколения III.Однако предполагается, что угольные электростанции нуждаются в десульфуризации дымовых газов (ДДГ), что обычно увеличивает потребление воды.

Требования к охлаждающей воде для каждого типа установок были рассчитаны на основе данных NETL и представлены в следующей таблице для «модельных» заводов потребления пресной воды:

Цифры озадачивают, поскольку для сверхкритического угля следует использовать значительно менее эффективные докритические угольные электростанции, а для рециркуляционного использования градирен большая разница между докритическим углем и ядерной энергией необъяснима.Очевидно, что существуют важные переменные, которые не учитываются, хотя они, безусловно, должны иметь отношение к прогнозам NETL.

Отчет DOE / NETL за 2009 год показывает диаграмму (рис. 3-6), в которой приводится отчет EPRI за 2002 год, где указано чистое потребление с использованием градирен от 2,27 до 3,8 л / кВтч для атомной энергетики *. Это намного больше, чем цифры на диаграмме докритического сжигания угля с FGD (рис. 3-2) — 1,9–2,5 л / кВтч (0,505–0,665 галлонов / кВтч) с аналогичной продувкой.

* Подпитка охлаждающей воды 3.От 0 до 4,1 л / кВтч (0,8-1,1 галлона / кВтч), без продувки 0,06-0,20 галлона / кВтч.

Другая диаграмма (рис. 3-1) со ссылкой на EPRI 2002 дает нетто 2,7 л / кВтч (0,72 галлона / кВтч) для атомной энергетики и 2,0 л / кВтч (0,52 галлона) для докритического угля. В пояснении в тексте говорится: «Атомные станции имеют более высокую нагрузку на градирню по сравнению с чистой выработкой электроэнергии. Это связано с тем, что условия пара ограничиваются эффектами хрупкости металла от ядерного реактора, что снижает эффективность». Однако ни он, ни отчет EPRI не оправдывают большую разницу, которая должна быть напрямую связана с потерями тепла в дымовой трубе на угольных электростанциях и с тепловым КПД.

Примечания и ссылки

Банкноты

а. При теоретической полной эффективности и с учетом только паровой фазы это известно как цикл Карно. Эффективность Карно системы относится к разнице между уровнями тепла на входе и выходе и в более общем смысле называется термической эффективностью. [Назад]

г. Этот термодинамический процесс превращения тепла в работу также известен как цикл Ренкина или, в более простом смысле слова, как паровой цикл, который можно рассматривать как практический цикл Карно, но с использованием насоса для возврата текучей среды в виде жидкости к источнику тепла.[Назад]

г. Конденсатор предназначен для конденсации отработавшего пара паровой турбины за счет потери скрытой теплоты парообразования охлаждающей воде (или, возможно, воздуху), проходящей через конденсатор. Температура конденсата определяет давление на этой стороне конденсатора. Это давление называется противодавлением турбины и обычно представляет собой частичный вакуум. Снижение температуры конденсата приведет к снижению противодавления турбины, что увеличит тепловой КПД турбины.Типичный конденсатор состоит из трубок в кожухе или кожухе.

Могут быть первичный и вторичный контуры, как в реакторах с водой под давлением (PWR) и двух или трех других типах. В этом случае первый контур просто передает тепло от активной зоны реактора к парогенераторам, а вода в нем остается жидкой под высоким давлением. В реакторах с кипящей водой и в реакторах другого типа вода закипает в активной зоне или рядом с ней. То, что сказано в основной части статьи, относится ко второй ситуации или вторичной цепи, где их два.[Назад]

г. В ядерном реакторе вода или тяжелая вода должны поддерживаться под очень высоким давлением (1000-2200 фунтов на квадратный дюйм, 7-15 МПа), чтобы она оставалась жидкой при температуре выше 100 ° C, как в современных реакторах. Это имеет большое влияние на реакторную технику.

Более подробная информация о различных теплоносителях первого контура содержится в документе Nuclear Power Reactors . [Назад]

e. В отчете Геологической службы США за 1995 г. говорилось, что 98% изъятия обычно возвращается в источник.[Назад]

ф. Для данной электрической мощности, поскольку установка должна быть больше (для данной мощности при 36% необходимо сбросить в 1,78 раза больше тепла, при 33% необходимо сбросить в 2,03 раза больше тепла — разница 14%). Если просто посмотреть на долю потерь тепла на конкретной установке при двух значениях эффективности, разница составит 5%, а вырабатывается на 8% меньше электроэнергии. [Назад]

г. На каждый киловатт-час электрической мощности при тепловом КПД 33% необходимо сбросить 7,3 МДж тепла.При тепловом КПД 36% сбрасывается 6,4 МДж. При скрытой теплоте парообразования 2,26 МДж / л это приводит к испарению 3,2 литра или 2,8 литра на кВтч соответственно, если весь охлаждающий эффект является просто испарительным. Это составило бы 77 или 67 мегалитров в день соответственно для станции мощностью 1000 МВт, если бы все охлаждение было только испарительным. На практике около 60-75% испаряется, в зависимости от атмосферных факторов. Другие расчетные цифры для более высокой эффективности: для сверхсверхкритического парового цикла (USC) с использованием градирни потребуется около 1.Произведено 5-1,7 л / кВтч; Современная ПГУ составляет около 0,9-1,1 л / кВтч. [Назад]

ч. В отчете Министерства энергетики за 2006 год, который подвергается критике ниже, указано типичное значение 2,9 л / кВтч. Другие источники в США указывают 1,5 л / кВтч для прямоточного охлаждения и 2,7 или 3,0 л / кВтч для испарительных градирен (, например, NEI 2009, примечание 11; NEI 2012). [Назад]

и. На основе 50% от общего объема производства 261 ТВт-ч при расходе воды 2,25 л / кВт-ч (60% электроэнергии вырабатывается из угля, в основном с использованием испарительного охлаждения).По более авторитетной, но более ранней оценке, общие потери от испарения для внутренних электростанций составляют 225 GL / год (Hunwick 2008). Мельбурн использует около 440 GL в год. [Назад]

Дж. Около 0,18–0,25 л / кВтч на заводе Коган-Крик в Квинсленде, включая небольшое дополнительное количество влажного охлаждения, и 0,15 л / кВтч на заводе Миллмерран. [Назад]

к. 48 вентиляторов на Коган-Крик диаметром 9 метров каждый. [Назад]

л. В Австралии на угольных электростанциях Коган-Крик (750 МВт в сверхкритическом состоянии) и Милмерране (в сверхкритическом состоянии 840 МВт) используется сухое охлаждение с использованием АСС, как и на электростанциях Матимба и Маджуба в Южной Африке.Новый завод Medupi будет использовать его и станет крупнейшей в мире станцией с сухим охлаждением (4800 МВт). Кендал в Южной Африке использует систему непрямого сухого охлаждения. Судя по всему, сухое охлаждение также используется в Иране и Европе. Южноафриканский опыт оценивает стоимость ACC примерно на 50% больше, чем рециркуляционное влажное охлаждение и непрямое сухое охлаждение, на 70–150% больше. [Назад]

г. В них используется вода в сверхкритическом состоянии с давлением около 25 МПа, температура пара от 500 до 600 ° C и тепловая эффективность 45%. По всему миру работает более 400 таких заводов.Одним из направлений разработки ядерных реакторов поколения IV являются конструкции с водяным охлаждением в сверхкритическом состоянии. На сверхкритических уровнях (30+ МПа) может быть достигнут 50% тепловой КПД.

Сверхкритические жидкости — это жидкости, находящиеся выше термодинамической критической точки, определяемой как самая высокая температура и давление, при которых газовая и жидкая фазы могут сосуществовать в равновесии, как однородная жидкость. У них есть свойства между газом и жидкостью. Для воды критическая точка составляет 374 ° C и 22 МПа, что придает ей плотность «пара», составляющую одну треть от плотности жидкости, так что она может приводить в движение турбину так же, как и обычный пар.[Назад]

п. В Великобритании все атомные станции находятся на берегу, и общие потери при передаче в системе составляют 1,5%. [Назад]

Источники

Агентство по окружающей среде Великобритании, 2010 г., Варианты охлаждающей воды для атомных электростанций нового поколения в Великобритании.
EPRI 2002, Вода и устойчивость (том 3): Потребление воды в США для производства электроэнергии — следующие полвека, Технический отчет EPRI
DOE / NETL 2006: Оценка потребностей в пресной воде для удовлетворения будущих потребностей в производстве термоэлектрической энергии, DOE / NETL-2006/1235
DOE / NETL 2008: Оценка потребностей в пресной воде для удовлетворения будущих требований к выработке термоэлектрической энергии, обновление, DOE / NETL-400/2008/1339
DOE / NETL 2009: Требования к воде для существующих и новых технологий термоэлектрических станций, DOE / NETL-402/080108
Использование воды в производстве электроэнергии, отчет Института электроэнергетики 1014026 (февраль 2008 г.)
EPRI 2011, Национальная оценка затрат на модернизацию U.S. Электростанции с замкнутым циклом охлаждения, Технический бюллетень EPRI 1022212; и исследование модернизации замкнутого цикла: оценка капитальных затрат и производственных затрат, Технический отчет EPRI 1022491.
DOE / NETL, август 2010 г., Уязвимость воды для существующих угольных электростанций, отчет 1429. DOE / INL 2010, Проблемы и возможности охлаждающей воды на АЭС США, октябрь 2010 г., INL / EXT-10-2028.
Ханвик, Ричард 2008, Австралийские внутренние электростанции: утоляют жажду
Международное энергетическое агентство и Агентство по ядерной энергии ОЭСР, Прогнозируемые затраты на производство электроэнергии, издание 2010 г.,
Международное энергетическое агентство, World Energy Outlook 2015
Международное энергетическое агентство, World Energy Outlook 2016 — глава 9, посвященная воде
Справочник по ядерной инженерии 2010
ESAA, Electricity Gas Australia 2010
МАГАТЭ 2012, Эффективное управление водными ресурсами в реакторах с водяным охлаждением, Серия изданий МАГАТЭ по ядерной энергии No.НП-Т-2.6.
Уильям Скафф, Институт ядерной энергии, водопользование, электроэнергия и ядерная энергия: целостный подход к охране окружающей среды, представленный на Ежегодном форуме Совета по охране грунтовых вод (GWPC) 2009, 14–16 сентября 2009 г.
Информационный бюллетень Института ядерной энергии, водопользования и атомных электростанций (ноябрь 2013 г.)
ThinkClimate & Brown & Pang, Варианты с нулевым выбросом углерода (для электростанции Порт-Огаста), 2012 г.

Мощность | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Рассчитайте мощность, рассчитав изменения энергии во времени.
• Изучите энергопотребление и расчеты стоимости потребляемой энергии.

Что такое сила?

Рис. 1. Эта мощная ракета космического корабля «Индевор» действительно работала и потребляла энергию с очень высокой скоростью. (кредит: НАСА)

Power — это слово вызывает в воображении множество образов: профессиональный футболист, отталкивающий своего противника, драгстер, ревущий от стартовой линии, вулкан, выбрасывающий лаву в атмосферу, или взрывающаяся ракета, как на рисунке 1.

Эти образы силы объединяет быстрое выполнение работы, что соответствует научному определению мощности ( P ) как скорости выполнения работы.

Мощность

Мощность — это скорость выполнения работы.

[латекс] \ displaystyle {P} = \ frac {W} {t} \\ [/ latex]

Единица измерения мощности в системе СИ — ватт (Вт), где 1 ватт равен 1 джоуль в секунду (1 Вт = 1 Дж / с).

Поскольку работа — это передача энергии, мощность — это также скорость, с которой энергия расходуется.Например, лампочка мощностью 60 Вт потребляет 60 Дж энергии в секунду. Большая мощность означает большой объем работы или энергии, выработанный за короткое время. Например, когда мощный автомобиль быстро разгоняется, он выполняет большой объем работы и потребляет большое количество топлива за короткое время.

Расчет мощности по энергии

Пример 1. Расчет мощности для подъема по лестнице

Какова выходная мощность для женщины весом 60,0 кг, которая преодолевает лестничный пролет высотой 3,00 м за 3,50 с, начиная с состояния покоя, но имея конечную скорость 2?00 м / с? (См. Рисунок 2. 2 + mgh \\ [/ latex], где h — высота лестницы по вертикали.2 \ right) \ left (3.00 \ text {m} \ right)} {3.50 \ text {s}} \\\ text {} & = & \ frac {120 \ text {J} +1764 \ text {J} } {3.50 \ text {s}} \\\ text {} & = & 538 \ text {W} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Женщина выполняет 1764 Дж работы, чтобы подняться по лестнице, по сравнению со всего лишь 120 Дж, чтобы увеличить свою кинетическую энергию; таким образом, большая часть ее мощности требуется для подъема, а не для ускорения.

Впечатляет, что полезная выходная мощность этой женщины чуть меньше 1 лошадиных сил (1 л.с. = 746 Вт)! Люди могут генерировать более лошадиные силы с помощью мышц ног в течение коротких периодов времени, быстро превращая доступный в крови сахар и кислород в объем работы.(Лошадь может выдавать 1 л.с. в течение нескольких часов подряд.) Как только кислород истощается, выходная мощность снижается, и человек начинает быстро дышать, чтобы получить кислород для усвоения большего количества пищи — это известно как этап аэробных упражнений . Если бы женщина поднималась по лестнице медленно, то ее выходная мощность была бы намного меньше, хотя объем выполняемой работы был бы таким же.

Установление соединений: расследование на вынос — измерение номинальной мощности

Определите собственную номинальную мощность, измерив время, необходимое вам, чтобы подняться по лестнице.Мы проигнорируем выигрыш в кинетической энергии, так как приведенный выше пример показал, что это была небольшая часть выигрыша в энергии. Не ожидайте, что ваша мощность будет больше 0,5 л.с.

Примеры мощности

Рис. 3. Огромное количество электроэнергии вырабатывается угольными электростанциями, такими как эта в Китае, но еще большее количество энергии идет на передачу тепла в окружающую среду. Большие градирни здесь необходимы для быстрой передачи тепла по мере его производства.Передача тепла характерна не только для угольных электростанций, но является неизбежным следствием выработки электроэнергии из любого топлива — ядерного, угля, нефти, природного газа и т.п. (Источник: Kleinolive, Wikimedia Commons)

Примеры силы ограничены только воображением, потому что существует столько же видов, сколько и форм работы и энергии. (См. Некоторые примеры в Таблице 1.) Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, несет максимальную мощность около 1,3 киловатт на квадратный метр (кВт / м ² ).Крошечная часть этого сохраняется на Земле в течение длительного времени. Наш уровень потребления ископаемого топлива намного превышает скорость его хранения, поэтому они неизбежно будут исчерпаны. Сила означает, что энергия передается, возможно, меняя форму. Невозможно полностью преобразовать одну форму в другую, не потеряв часть ее в виде тепловой энергии. Например, лампа накаливания мощностью 60 Вт преобразует в свет всего 5 Вт электроэнергии, а 55 Вт рассеивается в тепловую энергию.

Кроме того, обычная электростанция преобразует в электричество только 35-40% топлива. Остаток превращается в огромное количество тепловой энергии, которая должна быть распределена в виде теплопередачи так же быстро, как и возникнет. Электростанция, работающая на угле, может производить 1000 мегаватт; 1 мегаватт (МВт) — это 10 ⁶ Вт электроэнергии. Но электростанция потребляет химическую энергию в размере около 2500 МВт, создавая передачу тепла в окружающую среду в размере 1500 МВт. (См. Рисунок 3.)

Мощность и энергопотребление

Обычно нам приходится платить за энергию, которую мы используем.Стоимость энергии для электроприбора интересно и легко оценить, если известны его потребляемая мощность и затраченное время. Чем выше уровень энергопотребления и чем дольше прибор используется, тем выше его стоимость. Уровень потребляемой мощности [латекс] P = \ frac {W} {t} = \ frac {E} {t} \\ [/ latex], где E — энергия, поставляемая электроэнергетической компанией. Таким образом, энергия, потребляемая за время т , составляет

E = баллов

В счетах за электроэнергию указывается использованная энергия в единицах киловатт-часов (кВт⋅ч) , , которая является произведением мощности в киловаттах и ​​времени в часах. Этот блок удобен тем, что потребление электроэнергии на уровне киловатт в течение нескольких часов является типичным.

Пример 2. Расчет затрат на энергию

Какова стоимость эксплуатации компьютера мощностью 0,200 кВт, 6 часов в день в течение 30 дней, если стоимость электроэнергии составляет 0,120 доллара США за кВт⋅ч?

Стратегия

Стоимость основана на потребленной энергии; таким образом, мы должны найти E из E = Pt , а затем рассчитать стоимость.Поскольку электрическая энергия выражается в кВт⋅ч, в начале такой задачи удобно преобразовать единицы в кВт и часы.

Решение

Энергопотребление в кВт⋅ч составляет

[латекс] \ begin {array} {lll} E & = & Pt = (0.200 \ text {kW}) (6.00 \ text {h / d}) (30.0 \ text {d}) \\\ text {} & = & 36.0 \ text {кВт} \ cdot \ text {h} \ end {array} \\ [/ latex]

, а стоимость просто равна

= (36,0 кВт⋅ч) (0,120 доллара США за кВт⋅ч) = 4,32 доллара США в месяц.

Обсуждение

Стоимость использования компьютера в этом примере не является ни чрезмерной, ни незначительной. Понятно, что стоимость — это сочетание силы и времени. Когда и то и другое высокое, например, кондиционер летом, стоимость высока.

Мотивация к экономии энергии стала более убедительной из-за ее постоянно растущей цены. Вооружившись знанием того, что потребляемая энергия является продуктом мощности и времени, вы можете оценить затраты для себя и сделать необходимые оценочные суждения о том, где экономить энергию.Нужно уменьшить либо мощность, либо время. Наиболее экономически выгодно ограничить использование мощных устройств, которые обычно работают в течение длительного времени, таких как водонагреватели и кондиционеры. Сюда не входят устройства с относительно высокой мощностью, такие как тостеры, потому что они работают всего несколько минут в день. Он также не будет включать электрические часы, несмотря на то, что они используются круглосуточно, потому что они являются устройствами с очень низким энергопотреблением. Иногда для выполнения той же задачи можно использовать устройства с большей эффективностью, то есть устройства, потребляющие меньше энергии.Одним из примеров является компактная люминесцентная лампа, которая дает в четыре раза больше света на ватт потребляемой мощности, чем ее собрат с лампами накаливания.

Современная цивилизация зависит от энергии, но нынешние уровни потребления и производства энергии не являются устойчивыми. Вероятность связи между глобальным потеплением и использованием ископаемого топлива (с сопутствующим производством углекислого газа) привела к сокращению использования энергии, а также к переходу на неископаемые виды топлива. Несмотря на то, что энергия в изолированной системе является сохраняемой величиной, конечным результатом большинства преобразований энергии является перенос тепла в окружающую среду, которое больше не используется для выполнения работы.Как мы обсудим более подробно в Термодинамике, способность энергии производить полезную работу «снижается» при преобразовании энергии.

Сводка раздела

• Мощность — это скорость выполнения работы или в форме уравнения для средней мощности P для работы Вт , выполненной за время t , [латекс] P = \ frac {W} {t} \\ [/ латекс]
• В системе СИ для измерения мощности используется ватт (Вт), где [латекс] 1 \ text {W} = 1 \ frac {\ text {J}} {\ text {s}} \\ [/ latex].
• Мощность многих устройств, например электродвигателей, также часто выражается в лошадиных силах (л.с.), где 1 л.с. = 746 Вт.

Концептуальные вопросы

1. Большинство электроприборов имеют мощность в ваттах. Зависит ли этот рейтинг от того, как долго прибор включен? (В выключенном состоянии это устройство с нулевой ваттностью.) Объясните в терминах определения мощности.
2. Объясните в терминах определения мощности, почему потребление энергии иногда указывается в киловатт-часах, а не в джоулях.Какая связь между этими двумя энергетическими единицами?
3. Искра статического электричества, которую вы можете получить от дверной ручки в холодный сухой день, может передавать несколько сотен ватт мощности. Объясните, почему вы не пострадали от такой искры.

Задачи и упражнения

1. Пульсар в Крабовидной туманности (см. Рис. 4) — это остаток сверхновой, которая произошла в 1054 году нашей эры. Используя данные из таблицы 1, вычислите приблизительный коэффициент, на который мощность этого астрономического объекта снизилась после его взрыва.

   Рис. 4. Крабовидная туманность (предоставлено ESO, через Wikimedia Commons)

2. Предположим, что звезда в 1000 раз ярче нашего Солнца (то есть излучающая в 1000 раз большую мощность) внезапно становится сверхновой. Используя данные из Таблицы 1: (a) Во сколько раз увеличивается его выходная мощность? (б) Во сколько раз ярче, чем вся наша галактика Млечный Путь, сверхновая? (c) Основываясь на ваших ответах, обсудите, возможно ли наблюдать сверхновые в далеких галактиках. Обратите внимание, что существует порядка 10 ¹¹ наблюдаемых галактик, средняя яркость которых несколько меньше нашей собственной галактики.
3. Человек в хорошем физическом состоянии может выдавать 100 Вт полезной мощности в течение нескольких часов подряд, возможно, задействуя механизм, приводящий в действие электрогенератор. Пренебрегая любыми проблемами эффективности генератора и практическими соображениями, такими как время отдыха: (а) Сколько человек потребуется, чтобы запустить электрическую сушилку для одежды мощностью 4,00 кВт? (б) Сколько людей потребуется, чтобы заменить большую электростанцию, вырабатывающую 800 МВт?
4. Сколько стоит эксплуатация 3.Электрические часы 00-Вт на год при стоимости электроэнергии 0,0900 $ за кВт · ч?
5. Большой бытовой кондиционер может потреблять 15,0 кВт электроэнергии. Какова стоимость эксплуатации этого кондиционера 3,00 часа в день в течение 30,0 дней, если стоимость электроэнергии составляет 0,110 доллара США за кВт · ч?
6. (a) Какова средняя потребляемая мощность в ваттах прибора, потребляющего 5,00 кВт · ч энергии в день? б) Сколько джоулей энергии устройство потребляет в год?
7. (а) Какова средняя полезная выходная мощность человека, который делает 6.00 × 10 ⁶ Дж полезной работы за 8.00 ч? (b) Работая с такой скоростью, сколько времени потребуется этому человеку, чтобы поднять 2000 кг кирпичей 1,50 м на платформу? (Работу по подъему его тела можно не выполнять, потому что здесь она не считается полезным результатом.)
8. Драгстер весом 500 кг разгоняется до конечной скорости 110 м / с за 400 м (около четверти мили) и сталкивается со средней силой трения 1200 Н. Какова его средняя выходная мощность в ваттах и ​​лошадиных силах, если это занимает 7,30 с?
9. (а) Сколько времени займет автомобиль массой 850 кг с полезной мощностью 40 единиц.0 л.с. (1 л.с. = 746 Вт) для достижения скорости 15,0 м / с без учета трения? (b) Сколько времени займет это ускорение, если при этом автомобиль также преодолеет холм высотой 3,00 м?
10. (a) Найдите полезную выходную мощность двигателя лифта, который поднимает груз массой 2500 кг на высоту 35,0 м за 12,0 с, если он также увеличивает скорость в состоянии покоя до 4,00 м / с. Обратите внимание, что общая масса уравновешенной системы составляет 10 000 кг, так что только 2500 кг поднимается в высоту, но все 10 000 кг ускоряются. (б) Сколько это стоит, если электричество стоит 0 долларов.0900 за кВт · ч?
11. (a) Каково доступное энергосодержание в джоулях батареи, которая работает с электрическими часами мощностью 2,00 Вт в течение 18 месяцев? (b) Как долго батарея, способная обеспечить 8,00 × 10 ⁴ Дж, сможет работать с карманным калькулятором, потребляющим энергию со скоростью 1,00 × 10 ⁻³ Вт?
12. (a) Сколько времени потребуется самолету массой 1,50 × 10 ⁵ кг с двигателями мощностью 100 МВт, чтобы достичь скорости 250 м / с и высоты 12,0 км, если сопротивление воздуха будет незначительным? (б) Если это действительно занимает 900 с, какова мощность? (c) Учитывая эту мощность, какова средняя сила сопротивления воздуха, если самолет занимает 1200 с? (Подсказка: вы должны найти расстояние, которое самолет преодолеет за 1200 с при постоянном ускорении.)
13. Рассчитайте выходную мощность, необходимую для 950-килограммового автомобиля, чтобы преодолеть уклон 2,00 ° с постоянной скоростью 30,0 м / с, столкнувшись с сопротивлением ветра и трением в сумме 600 Н. Ясно покажите, как вы выполняете шаги, указанные в Стратегиях решения проблем в области энергетики .
14. (a) Рассчитайте мощность на квадратный метр, приходящуюся от Солнца в верхние слои атмосферы Земли. (Возьмем выходную мощность Солнца равной 4,00 × 10 ²⁶ Вт.) [/ Latex] (b) Часть этой мощности поглощается и отражается атмосферой, так что максимум 1.30 кВт / м ² достигает поверхности Земли. Вычислите площадь в км ² коллекторов солнечной энергии, необходимых для замены электростанции, вырабатывающей 750 МВт, если коллекторы преобразуют в электричество в среднем 2,00% максимальной мощности. (Такая малая эффективность преобразования обусловлена ​​самими устройствами и тем фактом, что солнце находится прямо над головой лишь на короткое время.) При тех же предположениях, какая площадь потребуется для удовлетворения энергетических потребностей Соединенных Штатов (1,05 × 10 ²⁰ J)? Энергетические потребности Австралии (5.4 × 10 ¹⁸ Дж)? Энергетические потребности Китая (6,3 × 10 ¹⁹ Дж)? (Эти значения энергопотребления взяты с 2006 г.)

Глоссарий

мощность: скорость выполнения работы

ватт: (Вт) единица мощности СИ, с [латексом] 1 \ text {W} = \ frac {\ text {J}} {\ text {s}} \\ [/ latex]

лошадиных сил: более старая несистемная единица мощности, с 1 л.с. = 746 Вт

киловатт-час: установка кВт · час, используемая в основном для выработки электроэнергии, предоставляемой электроэнергетическими компаниями

Избранные решения проблем и упражнения

1.2 × 10 ⁻¹⁰

3. (а) 40; (б) 8 миллионов

5. 149 долларов США

7. (а) 208 Вт; (б) 141 с

9. (а) 3,20 с; (б) 4,04 с

11. (а) 9,46 × 10 ⁷ Дж; (б) 2,54 л

13. Определить известные: м = 950 кг, угол наклона θ = 2,00º, v = 3,00 м / с, f = 600 Н

Определить неизвестные: мощность P автомобиля, сила F , эта машина относится к дороге

Решение для неизвестного: [латекс] P = \ frac {W} {t} = \ frac {Fd} {t} = F \ left (\ frac {d} {t} \ right) = Fv \\ [/ latex ], Где F параллельно уклону и должно противодействовать силам сопротивления и силе тяжести: [латекс] F = f + w = ​​600 \ text {N} + mg \ sin \ theta \\ [/ latex] .4 \ text {W} \ end {array} \\ [/ latex]

Около 28 кВт (или около 37 л.с.) приемлемо для автомобиля, чтобы преодолеть небольшой уклон.

Атомные электростанции — Управление энергетической информации США (EIA)

Ядерная энергия возникает из ядерного деления

Атомные электростанции нагревают воду для производства пара. Пар используется для вращения больших турбин, вырабатывающих электричество. Атомные электростанции используют тепло, вырабатываемое при делении ядер, для нагрева воды.

При делении ядер атомы разделяются на более мелкие атомы, высвобождая энергию. Деление происходит внутри реактора атомной электростанции. В центре реактора находится активная зона, в которой находится урановое топливо.

Из уранового топлива формуют керамические таблетки. Каждая керамическая гранула производит примерно столько же энергии, сколько 150 галлонов масла. Эти богатые энергией таблетки уложены встык в 12-футовые металлические топливные стержни. Связка твэлов, некоторые из которых состоят из сотен стержней, называется тепловыделяющей сборкой.Активная зона реактора содержит множество тепловыделяющих сборок.

Тепло, выделяющееся при ядерном делении в активной зоне реактора, используется для превращения воды в пар, который вращает лопатки паровой турбины. Когда лопасти турбины вращаются, они приводят в действие генераторы, вырабатывающие электричество. Атомные установки охлаждают пар обратно в воду в отдельной конструкции на электростанции, называемой градирней, или они используют воду из прудов, рек или океана. Затем охлажденная вода повторно используется для производства пара.

Ядерные реакторы в Соединенных Штатах могут иметь большие бетонные купола, закрывающие реакторы, которые должны сдерживать аварийные выбросы радиации.Не на всех АЭС есть градирни. Некоторые атомные электростанции используют для охлаждения воду из озер, рек или океана.

Защитный купол ядерного реактора

Источник: стоковая фотография (защищена авторским правом)

Атомные электростанции вырабатывают около 20% электроэнергии США с 1990 года

По состоянию на 31 декабря 2020 г. 94 атомных реактора находились в эксплуатации на 56 АЭС в 28 государствах.Тридцать два завода имеют два реактора, а три завода — три реактора. Атомные электростанции поставляют около 20% от общего годового объема электроэнергии в США с 1990 года. Узнайте больше об атомной энергетике США.

Соединенные Штаты производят больше ядерной энергии, чем любая другая страна

В 2019 году 31 страна имела коммерческие атомные электростанции, и в 14 из них ядерная энергия обеспечивала не менее 20% их общего годового производства электроэнергии.Соединенные Штаты обладают крупнейшими производственными мощностями ядерной энергетики и вырабатывают больше ядерной электроэнергии, чем любая другая страна. Франция, располагающая второй по величине производительностью ядерной электроэнергии и второй по величине производительностью ядерной электроэнергии, имела самую большую долю — около 70% — от общего годового производства электроэнергии с помощью ядерной энергии.

Пятерка стран-лидеров ядерной энергетики, 2019 год

Последнее обновление: 6 апреля 2021 г.

— обновлено 30.12.2011 Двигатели Стирлинга бета

Глава 2b — Двигатели Стирлинга бета-типа

Бета-конфигурация — классический двигатель Стирлинга. конфигурации и пользовалась популярностью с момента своего создания до Cегодня.Оригинальный двигатель Стирлинга из его патентного чертежа 1816 года. показывает бета-схему. Фотография Роберта Стирлинга, оригинальный патентный рисунок, а также анимированная модель Стирлинга двигатель наглядно показан на интересном сайте Robert Sier . Из рисунка ниже видно, что в отличие от машины Alpha, двигатель Beta имеет одинарный силовой поршень. и вытеснитель, идеальная цель которого — «вытеснить» рабочий газ в постоянном объеме, и перемещать его между расширениями и пространства сжатия через охладитель последовательного расположения, регенератор и нагреватель.В реальных двигателях связь, приводящая в движение поршень и вытеснитель будут перемещать их так, что газ сжимается в то время как он в основном находится в холодном пространстве сжатия и расширяется в горячее пространство расширения. Это наглядно показано в соседних анимация, созданная Ричардом Уилером ( Zephyris ) из Википедия .

Подробное описание идеальной машины Beta цикл представлен в Engineering Термодинамика — Глава 3b Интернет-ресурс.См. Также анимацию бета-машины от Matt. Keveney — Одноместный Цилиндр двигателя Стирлинга , четко виден принцип работы.

Помимо оригинального двигателя Стирлинга, важная Ранняя бета-версия двигателя — это машина Lehmann, на которой Gustav Шмидт провел первый разумный анализ двигателей Стирлинга в 1871 году. Энди Росс построил небольшую рабочую копию модели Lehmann машина , а также модель Пневматический двигатель , оба на базе одноцилиндрового двигателя Бета-конфигурации.

Рольф Мейер из Philips, Голландия, разработал свой известныйnvibrationless ромбический управлял двигателями Beta в начале 1960-х годов. В 1965 г. в исследовательских лабораториях General Motors был разработан ромбический привод мощностью 7,5 кВт. Двигатель / генераторная установка Стирлинга GPU-3 (Ground Power Unit) для США Армия. Он описан и проанализирован в книге И.Уриэли и Д. М. Берховиц — Анализ двигателя цикла Стирлинга (Адам Хильгер, 1984), страницы 30-40, и, поскольку эта книга больше не издается, эти Для удобства сюда добавлены страницы: Rhombic-GPU-3.pdf . Энди Росс построил несколько небольших пневмодвигателей с ромбическим приводом — см. его книга: Создание Двигатели Стирлинга (Ross Experimental, 1993).

Еще один интересный сайт — Stirling Лодки с двигателем от Andrew Зал с описанием лодок, приводимых в движение в основном Двигатели бета-типа, построенные моделистами в Великобритании.

Двигатели Стирлинга со свободным поршнем

Пожалуй, самые гениальные двигатели Стирлинга на сегодняшний день изобретены двигатели со свободным поршнем, изобретенные и разработанные Уильямом. Бил в Университете Огайо в конце 1960-е гг.Легенда гласит, что во время обучения ромбическому движению двигатель он внезапно понял, что «этот двигатель все равно будет работать, если мы просто выбрасываем это сложный приводной механизм — Эврика! ». Затем он основал компанию Sunpower , г. который был лидером в разработке поршневых двигателей Стирлинга двигатели и криокулеры по сей день. Большинство двигателей Sunpower имеют бета-версию и не использовать систему механической связи. Главный аспект бесплатного поршневой машины заключается в том, что выходная мощность может быть получена через линейный генератор переменного тока, позволяющий герметизировать всю систему запечатанный.Фактически, это единственная конфигурация Стирлинга, в которой удалось достичь коммерциализация в любых количествах. Это главным образом потому, что он избегает фатальные недостатки кривошипа, снова и снова проверенные годами быть практически непреодолимым — уплотнение и смазка.

Начиная с 1974 Солнечная сила разработала свободнопоршневой двигатель / генераторы Стирлинга. Диапазон мощности от 35 Вт _e до 7,5 кВт _e . Рассмотрим, например, двигатель / генератор EG-1000, работающий на газе. и был разработан для выработки электроэнергии (1 кВт _e ) а также для обеспечения горячей водой частного дома.Рабочий газ используется гелий, преимущество которого в том, что он имеет низкомолекулярный вес и высокая теплопроводность по сравнению с воздухом, что позволяет значительное уменьшение размеров. Этот двигатель показан на рисунке ниже вместе с упрощенной принципиальной схемой.

Сила Солнца Свободнопоршневой двигатель / генератор Стирлинга EG-1000

Обратите внимание, что с 1995 г. Компания British Gas использовала технологию EG-1000 для разработки ТЭЦ (Комбинированная Тепло и Электроэнергия) — двигатель / генератор мощностью 1 кВт в настоящее время производитель Microgen Engine Corporation (см. к их История и Двигатель веб-страница).

An чрезвычайно интересная система свободного поршня двигателя, разработанная Уильямом Бил — модель со свободным цилиндром водяной насос . В этом двигателе тяжелая внутренняя масса обеспечивает силу реакции, приводящую в движение цилиндр, который напрямую подключен к водяному насосу. Он построил силу регулировка и автоматически реагирует на нагрузку. Все остальные двигатели для этого требуются трансмиссия и сложные механизмы управления. Кроме того, я не знаю другого механического теплового двигателя. который работает от бесконечной нагрузки до нуля без остановки или разрушая себя.
Еще одна привлекательная особенность бесплатного цилиндрическая система состоит в том, что она может быть изготовлена ​​из недорогих легкодоступные компоненты. Фактически, весь корпус насоса можно изготавливается из обычных ПВХ трубопроводов и арматуры. Надежность, простота и низкая стоимость этого двигателя делают его в высшей степени подходящим для применения в развивающихся странах, а в 1970-х годах это было тщательно протестирован как в полевых условиях, так и в лаборатории (см. презентация 1979 года Уильяма Била A Двигатель Стирлинга со свободным цилиндром для водяных насосов на солнечной энергии ).

Два интересных свободных поршня Stirling powered также были исследованы холодильные системы — дуплексный газовый топочный холодильник, имеющий всего три движущихся части, один силовой поршень и два поршня буйка (см. статью L.B.Penswick & I.Urieli — Дуплекс Машины Стирлинга (I. Energy Conversion Engineering Conference, 1984), а также поршневой без газа CO2. система охлаждения (см. документ по Д.М. Берховиц и Йонг-Рак Кван — Hermetic Газовый жилой тепловой насос ).

Sunpower также участвовала в производстве Криогенные охладители цикла Стирлинга для сжижения кислорода. Над лет Sunpower превратила Афины, штат Огайо, в рассадник Стирлинга. цикл машинной деятельности, которая теперь включает три НИОКР / производство компании. В 2013 году Sunpower была приобретена AMETEK, Inc в Пенсильвании, но продолжается занимается разработкой машин цикла Стирлинга в Афинах, штат Огайо. Глава 3 книги И. Уриэли и Д. М. Берховица — Циклический двигатель Стирлинга Анализ (Adam Hilger 1984) полностью посвящен анализу Машины со свободным поршнем, и поскольку эта книга больше не издается, эта Глава была добавлена ​​сюда для удобства в четырех частях: Свободный поршень (1).pdf , г. Свободно-поршневой (2) .pdf , Свободно-поршневой (3) .pdf , Free-Piston (4) .pdf . См. Также статью Р. В. Редлиха и Д. М. Берховица — линейный динамика свободнопоршневых двигателей Стирлинга (ImechE 1985), а также к конспектам лекций по инженерному делу Дж. Уокера и J.R.Senft — Бесплатно Поршневые двигатели Стирлинга (Springer-Verlag 1985, в настоящее время доступна в виде электронной книги).

Интересный документ, описывающий хронологию развития Free Piston Технологию двигателей Стирлинга представил Дэвид. Berchowitz по адресу Международная конференция по двигателям Стирлинга 2018 г. (Ссылка: A Личная история в разработке современного двигателя Стирлинга ).

НАСА Glenn Research Center был задействован в разработке свободнопоршневых двигателей Стирлинга для полетов в дальний космос с середины 1970-х гг. Один из их подопытных агрегаты недавно установили рекорд времени работы более 110000 часов, постоянно работает на полную мощность с 2003, и все еще работает без каких-либо признаков снижения производительности. В последнее время они сосредоточились на Kilopower. Реактор с использованием технологии Стирлинга (KRUSTY) для мощностью до 10 кВт — см. также National Управление физической ядерной безопасности и их YouTube видео .

Стирлинг Technology (обратите внимание на недавнее название компании изменение: Комбинированная энергия Technology ) является дочерней компанией Sunpower, и изначально был сформирован с целью продолжения развития и производство СТ-5 мощностью 3,5 кВт Пневматический двигатель . Этот большой двигатель типа бета использует коленчатый кривошипный механизм для получения правильной фазы буйка, сжигает топливо из биомассы (например, гранулы из опилок или рисовую шелуху) и может функционируют как когенерационная установка в сельской местности.
Сейчас Stirling Technology работает с Microgen Engine Corporation , международная компания, производящая свободно-поршневой двигатель / генератор MEC мощностью 1 кВт.Компания Stirling Technology разработала многотопливную горелку для двигателя. и сотрудничает с Microgen, чтобы внедрить различные системы в рынок.

Глобальное охлаждение (В данный момент Стирлинг Ultracold ) была дочерней компанией Sunpower была основана в 1995 г. Дэвид Berchowitz в основном для разработки свободнопоршневые охладители цикла Стирлинга для домашнего холодильника Приложения. Эти системы, помимо того, что они значительно больше эффективнее, чем обычные парокомпрессионные холодильники, имеют дополнительное преимущество компактных портативных устройств, использующих гелий в качестве рабочая жидкость (а не хладагенты HFC, такие как R134a, имеющие Потенциал глобального потепления 1300).Принципиальная схема, за которой следует анимированная схема типичного кулера (обе любезно предоставлены Global Охлаждение) показаны ниже:

в Университет Огайо у нас есть демонстрация Global Cooling Stirling Кулер показан ниже. Обычно она достигает -90 ° C, однако, поскольку ледяной шар покрывает всю секцию регенератора, мы замечаем, что температура поднялась до -43 ° C.

Совсем недавно Global Cooling решила сконцентрироваться их усилия по разработке систем, в которых практически нет конкурентные системы — охлаждение от -40 ° C до -80 ° C, и они учредил новое название компании: Stirling Ультрахолодный .
Обновить — 2021: Стирлинг Сверхнизкие температуры (ULT) Ultracold морозильные камеры решают беспрецедентные сегодня проблемы развертывания COVID-19. См. Walgreens Пример вакцины COVID-19 , а также Стирлинг Ultracold сливается с решениями Biolife .

______________________________________________________________________________________

Анализ машины цикла Стирлинга, Израиль Уриэли под лицензией Creative Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.0 Соединенные Штаты Лицензия

микротурбин | WBDG — Руководство по проектированию всего здания

Введение

Микротурбины — это относительно новая технология распределенной генерации, используемая для стационарных приложений генерации энергии. Они представляют собой тип турбины внутреннего сгорания, которая производит тепло и электричество в относительно небольших масштабах.

обладают рядом потенциальных преимуществ по сравнению с другими технологиями для маломасштабной выработки электроэнергии, в том числе: небольшое количество движущихся частей, компактный размер, легкий вес, большая эффективность, меньшие выбросы, более низкие затраты на электроэнергию и возможности использования отработанного топлива.В этих системах также можно использовать рекуперацию отходящего тепла для достижения эффективности более 80%.

Ожидается, что микротурбины из-за своего небольшого размера, относительно низких капитальных затрат, ожидаемых низких затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также автоматического электронного управления займут значительную долю рынка распределенной генерации. Кроме того, микротурбины предлагают эффективное и чистое решение для рынков с прямым механическим приводом, таких как компрессор и кондиционирование воздуха.

Микротурбины работают как реактивные двигатели, но вырабатывают электричество вместо тяги.
Фото: Capstone Turbine Corp.

Описание

A. Что такое микротурбина?

(любезно предоставлено Калифорнийским справочником по распределенным энергетическим ресурсам на микротурбинах)

Микротурбины — это небольшие турбины внутреннего сгорания размером примерно с холодильник мощностью от 25 до 500 кВт. Они произошли от турбонагнетателей для автомобилей и грузовиков, вспомогательных силовых агрегатов (ВСУ) для самолетов и небольших реактивных двигателей. Большинство микротурбин состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины, генератора переменного тока, рекуператора (устройства, улавливающего отходящее тепло для повышения эффективности ступени компрессора) и генератора.На рисунке ниже показано, как работает микротурбина.

B. Типы микротурбин

Микротурбины классифицируются по физическому расположению составных частей: одно- или двухвальные, простой цикл или с рекуперацией, с промежуточным охлаждением и с повторным нагревом. Машины обычно вращаются со скоростью более 40 000 оборотов в минуту. Выбор подшипника — масляный или воздушный — зависит от использования. Одновальная микротурбина с высокими скоростями вращения от 90 000 до 120 000 оборотов в минуту является более распространенной конструкцией, поскольку ее проще и дешевле построить.И наоборот, разъемный вал необходим для приводов машин, для которых не требуется инвертор для изменения частоты переменного тока.

также можно разделить на два общих класса:

• Микротурбины без рекуперации (или простого цикла) —В турбине простого цикла или без рекуперации сжатый воздух смешивается с топливом и сжигается в условиях постоянного давления. Полученный горячий газ расширяется через турбину для выполнения работы.Микротурбины простого цикла имеют более низкий КПД (около 15%), но также более низкие капитальные затраты, более высокую надежность и больше тепла, доступного для когенерационных приложений, чем блоки с рекуперацией.

• Рекуперируемые микротурбины — Рекуперируемые агрегаты используют теплообменник из листового металла, который восстанавливает часть тепла от выхлопного потока и передает его входящему воздушному потоку, повышая температуру воздушного потока, подаваемого в камеру сгорания. Дальнейшая рекуперация тепла выхлопных газов может использоваться в конфигурации когенерации.На рисунках ниже показана рекуперированная микротурбинная система. Эффективность преобразования топливной энергии в электрическую находится в диапазоне от 20 до 30%. Кроме того, агрегаты с рекуперацией могут обеспечить экономию топлива от 30 до 40% за счет предварительного нагрева.

Рекуперированная микротурбина
Фото: Capstone

Когенерация — это вариант во многих случаях, поскольку микротурбина находится в точке использования электроэнергии. Комбинированный теплоэлектрический КПД микротурбин в таких приложениях когенерации может достигать 85% в зависимости от требований теплового процесса.

(любезно предоставлено Калифорнийским справочником по распределенным энергетическим ресурсам на микротурбинах)

Современные материалы, такие как керамика и термобарьерные покрытия, являются одними из ключевых технологий, позволяющих улучшить микротурбины.Повышение эффективности может быть достигнуто с помощью таких материалов, как керамика, которые позволяют значительно повысить рабочую температуру двигателя.

C. Характеристики микротурбин

Некоторые из основных приложений для микротурбин включают:

• Распределенное поколение — автономные локальные приложения, удаленные от электросетей
• Качественная мощность и надежность — снижение колебаний частоты, скачков напряжения, скачков, провалов или других сбоев
• Резервное питание — используется в случае отключения электричества в качестве резервного источника электроэнергии
• Пиковое сокращение — использование микротурбин в периоды, когда потребление электроэнергии и плата за потребление высоки
• Boost power — увеличение локальных генерирующих мощностей и в более удаленных сетях
• Низкозатратная энергия — использование микротурбин в качестве базовой нагрузки или основной энергии, производство которой на месте обходится дешевле, чем приобретение у электроэнергетической компании.
• Комбинированное производство тепла и электроэнергии (когенерация) — повышает эффективность местного производства электроэнергии за счет использования отходящего тепла для существующего теплового процесса.

Микротурбины предлагают много потенциальных преимуществ для распределенного производства электроэнергии. Избранные сильные и слабые стороны технологии микротурбин перечислены в следующей таблице из Калифорнийского руководства по распределенным энергетическим ресурсам для микротурбин.

Доступно : N / A

Эстетика :

• Улучшает обзор и обзор с автономными системами, что устраняет необходимость в воздушных линиях электропередачи

Рентабельность : (См. Раздел F: Экономика микротурбин)

• Позволяет снизить затраты за счет снижения пикового спроса на объекте и, следовательно, снижения платы за спрос

Функциональный :

• Обеспечивает лучшую надежность и качество электропитания, особенно для тех, кто работает в зонах с отключениями, скачками напряжения и т. Д.обычны или электроснабжение менее надежно
• Обеспечивает питание удаленных приложений, где традиционные линии передачи и распределения не подходят, например, на строительных площадках и морских объектах.
• Может быть альтернативой дизельным генераторам для локального энергоснабжения критически важных функций (например, коммуникационных центров)
• Обладает комбинированными теплоэнергетическими возможностями
• Снижает перегрузку передающих линий
• Оптимизирует использование существующих сетевых активов, включая возможность высвобождения передающих активов для увеличения пропускной способности.
• Повышает надежность сети
• Обеспечивает более быструю выдачу разрешений, чем модернизация линии электропередачи
• Может размещаться на площадках с ограничениями по производству электроэнергии

Производственные :

• Обеспечивает высококачественное питание чувствительных приложений
• Быстрее реагирует на новые потребности в электроэнергии — так как увеличение мощности может производиться быстрее
• Содействует сокращению капиталовложений в непроизводительные активы, поскольку модульная природа микротурбин означает, что увеличение и уменьшение мощности может производиться небольшими приращениями, близко согласованными со спросом, вместо строительства центральных электростанций, размер которых соответствует предполагаемому будущему (а не текущему) спросу.
• Энергия в режиме ожидания сокращает время простоя, позволяя сотрудникам возобновить работу
• Производит меньше шума, чем поршневые двигатели

Надежно / Сейф :

• Повышает энергетическую безопасность
• Резервное питание обеспечивает быстрое восстановление после события

Устойчивое развитие :

• Обеспечивает самый низкий уровень выбросов из всех систем сжигания некаталитического ископаемого топлива
• Имеет небольшую занимаемую площадь, сводя к минимуму неудобства на рабочем месте
• Уменьшает или откладывает модернизацию инфраструктуры (линии и подстанции)
• Для микротурбин с рекуперацией энергии, обладает более высокой эффективностью преобразования энергии, чем центральное поколение
• Обеспечивает более эффективное управление энергопотреблением и нагрузкой

Д.Экономика микротурбин

Капитальные затраты на микротурбину колеблются от 700 до 1100 долларов США / кВт. Эти затраты включают все оборудование, соответствующие руководства, программное обеспечение и начальное обучение. Добавление рекуперации тепла увеличивает стоимость на 75–350 долларов за кВт. Затраты на установку значительно различаются в зависимости от местоположения, но обычно добавляют 30-50% к общей стоимости установки.

Производители микротурбин нацелены на будущую стоимость ниже 650 долларов за кВт. Это представляется возможным, если рынок расширяется и объемы продаж увеличиваются.

С меньшим количеством движущихся частей поставщики микротурбин надеются, что эти устройства могут обеспечить более высокую надежность, чем традиционные технологии возвратно-поступательного движения. Производители ожидают, что начальные единицы потребуют более неожиданных посещений, но по мере того, как продукция созревает, будет хватать ежегодного графика технического обслуживания. Большинство производителей нацелены на интервалы обслуживания от 5 000 до 8 000 часов.

Затраты на техническое обслуживание микротурбинных установок по-прежнему основаны на прогнозах с минимальными реальными ситуациями.Оценки варьируются от 0,005 до 0,016 доллара за кВтч, что сопоставимо с оценкой для небольших систем поршневых двигателей.

(любезно предоставлено Калифорнийским справочником по распределенным энергетическим ресурсам на микротурбинах)

Приложение

могут использоваться для резервного питания, обеспечения качества и надежности электроэнергии, снятия пиковых нагрузок и когенерации.Кроме того, поскольку микротурбины разрабатываются для использования различных видов топлива, они используются для извлечения ресурсов и использования свалочного газа. Микротурбины хорошо подходят для небольших коммерческих зданий, таких как рестораны, отели / мотели, небольшие офисы, магазины розничной торговли и многие другие.

Разнообразие потребителей энергии, которые уже используют микротурбины, велико и быстро растет. Например:

• Микротурбины, работающие на свалочном газе, установленные на полигоне Джамача в Спринг-Вэлли, Калифорния, обеспечивают электроэнергией на месте и обратно в сеть.Подробнее

• Ресторан McDonald’s в Чикаго, штат Иллинойс, получает большую часть электроэнергии от микротурбины, работающей на природном газе, что сокращает его ежемесячный счет за электроэнергию на 1500 долларов.

Энергетическая система с микротурбинным генератором Parallon 75 в The Energy Efficient McDonald’s (TEEM) в Бенсенвилле, штат Иллинойс, может обеспечивать питание всего магазина, включая освещение, кухонное оборудование и системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Фото: Новости потребителей энергии

• Текстильная фабрика в Лоуренсе, Массачусетс, обеспечивает непрерывную работу, получая энергию от микротурбин.

• В здании Chesapeake Building в кампусе Университета Мэриленда, Колледж-Парк, штат Мэриленд, есть система охлаждения, обогрева и электроснабжения (ТЭЦ), состоящая из микротурбин, чиллера и дымовой трубы, которая использует отработанное тепло для охлаждения и обогрева здания, что значительно повышает эффективность системы. .

Система когенерации Chesapeake Building, Мэрилендский университет — Колледж-Парк, Мэриленд

Также ведется разработка технологии микротурбин для транспортных средств.Автомобильные компании заинтересованы в микротурбинах как в легком и эффективном источнике энергии на основе ископаемого топлива для гибридных электромобилей, особенно автобусов.

Другие текущие разработки для улучшения конструкции микротурбины, снижения затрат и повышения производительности с целью производства конкурентоспособного продукта распределенной генерации включают рекуперацию тепла / когенерацию, гибкость топлива и гибридные системы (например, топливный элемент / микротурбина, маховик / микротурбина).

Дополнительные ресурсы

Государственные и федеральные агентства

Ассоциации и организации

• California Communities for Advanced Distributed Energy Resources (CADER) — Служит в качестве центра обмена информацией по эффективным технологиям и системам инфраструктуры, которые повышают качество, надежность и безопасность энергоснабжения местных сообществ, снижая при этом затраты на электроэнергию и воздействие на окружающую среду, связанное с производством электроэнергии.
• Ассоциация ТЭЦ — ассоциация, объединяющая интересы различных рынков для содействия росту чистых и эффективных ТЭЦ в Соединенных Штатах. Его миссия состоит в создании нормативной, институциональной и рыночной среды, которая способствует использованию чистых и эффективных ТЭЦ в качестве основного источника электроэнергии и тепловой энергии в США (бывшая Ассоциация чистого тепла и энергии США (USCHPA))
• Всемирный альянс за децентрализованную энергетику (WADE) — запущен группой крупных компаний и национальных отраслевых ассоциаций для ускорения разработки высокоэффективных систем когенерации и децентрализованной энергетики (DE), которые принесут существенные экономические и экологические выгоды во всем мире.

Производители

Во всем мире более двадцати компаний участвуют в разработке и коммерциализации микротурбин для приложений распределенной генерации. Ниже приведены ссылки на пять ведущих производителей микротурбин.

• Bowman Power Systems — британская компания, разрабатывающая микротурбинные системы выработки электроэнергии мощностью 80 кВт для устройств DER и мобильной энергетики.
• Calnetix Technologies — ведущий производитель микротурбин для использования в распределенной генерации, комбинированном производстве тепла и электроэнергии (ТЭЦ), биогазе и морских установках.
• Capstone Turbine Corporation — Компания Capstone со штаб-квартирой в Чатсуорте, Калифорния, является лидером в коммерциализации высоконадежных микротурбинных электрогенераторов с низким уровнем выбросов. Компания предлагает системы мощностью 30 и 60 кВт для приложений DER.
• Ansaldo Turbec — В конце 2012 года компания Ansaldo Energia приобрела Turbec. Компания предлагает микротурбинный электрогенератор мощностью 100 кВт для коммерческих приложений РЭД.

Системы когенерации | RAND Engineering & Architecture, DPC

Энергетический подрядчик обратился к компании по управлению недвижимостью нашего кооператива с предложением установить когенерационную систему, чтобы снизить наши затраты на электроэнергию и отопление.Мы представляем собой комплекс из пяти зданий, насчитывающий около 1200 единиц, что из-за нашего размера, очевидно, делает нас идеальным кандидатом для программы когенерации. Что нужно для создания такой системы и какую экономию можно ожидать?

В когенерационной системе тепло, выделяемое при сгорании микротурбины, улавливается для производства тепла и горячей воды. (Изображение: Джонатан Макфорлан)

Когенерация, иногда называемая распределенной генерацией или комбинированным производством тепла и электроэнергии, представляет собой процесс, в котором одновременно производятся электричество и тепло.В когенерационной системе турбина, работающая на топливе, приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Тепло, производимое в ходе этого процесса, которое уходит в качестве побочного продукта, который не используется в обычных энергетических установках, вместо этого улавливается и используется для производства тепла, горячей воды или даже охлаждения. Для кондоминиумов и кооперативов программа когенерации предлагает потенциальную экономию за счет снижения пикового спроса на электроэнергию летом и снижения затрат на отопление зимой и на горячую воду круглый год. Кроме того, систему можно использовать в качестве аварийного резервного электропитания во время отключения электроэнергии.

Когенерация используется более века, в основном в промышленных, коммерческих и институциональных условиях. Например, больницы и дома престарелых были крупными пользователями систем распределенной генерации. Однако до относительно недавнего времени эта технология редко использовалась в жилых домах, потому что только самые большие многоквартирные дома имели потребности в энергии, достаточно большие, чтобы использовать преимущества комбинированного производства тепла и электроэнергии. Но с более эффективно спроектированными системами и более компактным энергетическим оборудованием когенерация находит применение во все большем количестве кондоминиумов и кооперативных комплексов.

Как это работает

В бытовой когенерационной системе микротурбина размером с холодильник запускается за счет впрыска топлива. Природный газ часто является предпочтительным топливом, потому что он горит более чисто и выделяет меньше вредных паров, чем дизельное топливо. Другими вариантами топлива являются пропан, биогаз и керосин. Топливо смешивается с воздухом в компрессоре, и в результате сгорание вращает единственный вал, производя электричество через генератор. До 90% отходящего тепла, выделяемого при сгорании, собирается и проходит через теплообменник.Уловленное тепло затем можно использовать для нагрева воды для бытовых нужд в виде пара или горячей воды для отопления или даже для охлаждения при передаче через паропоглощающий охладитель.

Система когенерации работает вместе с существующими электрическими и отопительными системами здания, но не заменяет их.

Электроэнергия, вырабатываемая микротурбинами, снижает пиковые нагрузки здания в летний период.

Микротурбина, например, не будет обеспечивать достаточно электроэнергии для всей большой собственности, но она может обеспечить стабильную подачу такой мощности в течение года, тем самым уменьшая количество, требуемое от электросети.Более того, электричество, производимое микротурбиной, снизит пиковые нагрузки, которые испытывают здания при интенсивном использовании кондиционеров летом. Из-за этой дополнительной мощности Con Edison круглый год предлагает сниженные тарифы на электроэнергию для зданий, в которых работает когенерационная система.

Точно так же зданию по-прежнему придется полагаться на свою традиционную отопительную установку зимой, но микротурбина будет обеспечивать дополнительное тепло, снижая требуемую мощность станции. Кроме того, система когенерации может быть настроена для нагрева горячей воды в здании круглый год, что значительно сокращает использование котла летом.В зависимости от использования горячей воды в отеле, тепла, захваченного микротурбиной, может быть даже достаточно, чтобы вообще не запускать установку летом.

Экономия затрат

Системы когенерации в жилых домах лучше всего работают в больших зданиях с высокими требованиями к мощности. Здания с наивысшим потенциалом экономии энергии — это многоквартирные дома (примерно 100 квартир и более), в которых много электричества и отопления используется 16 часов в день или более, шесть дней в неделю.Трудно получить точные цифры по затратам и сбережениям, потому что размеры и потребности в энергии многоквартирных домов сильно различаются, но согласно отчету 2004 года Целевой группы по энергетической политике Нью-Йорка, системы когенерации в среднем составляют от 70% до 95% для сравнения. примерно до 50% эффективности обычных систем отопления. Компании, занимающиеся когенерацией, заявляют, что их системы в 2,5 раза более эффективны, чем электроэнергетические компании, и что они могут снизить ежемесячные расходы на электроэнергию с 30% до 60%.Предполагаемый средний срок окупаемости типичного большого многоквартирного дома составляет от трех до пяти лет.

Резервное питание

Помимо экономии энергии, другим преимуществом когенерационной системы является ее использование в качестве резервного источника питания во время отключения электроэнергии. Несмотря на то, что когенерационное оборудование подключено к электросети коммунального предприятия, систему можно настроить для автономной работы в аварийной ситуации. Во время отключения электроэнергии контроллер отключает микротурбину от сети и обеспечивает питание непосредственно для основных функций здания, таких как лифты, водяные насосы, освещение в коридоре и на лестничной клетке (но не для отдельных квартир).Когда питание возвращается, микротурбина автоматически подключается к электросети без ручного вмешательства.

Когенерационная система
также может использоваться в качестве резервного источника питания

во время отключения электроэнергии.

Для советов директоров, рассматривающих возможность реализации программы когенерации, первым шагом было бы поручение фирме по управлению энергопотреблением провести технико-экономическое обоснование. Консультант по энергетике будет измерять электрические нагрузки в разное время дня, включая то, насколько спрос здания колеблется от высокого к низкому.На основании результатов консультант оценит ожидаемую экономию затрат и срок окупаемости установки когенерационной системы и порекомендует микротурбины подходящего размера. Например, для здания из 150 единиц с максимальной нагрузкой 1000 кВт и минимальной нагрузкой 100 кВт может потребоваться микротурбина мощностью от 60 до 90 кВт или, возможно, установка мощностью 60 кВт в сочетании с одной мощностью 30 кВт.

Следующее соображение — где разместить микротурбину. В большинстве случаев снаружи здания предпочтительнее, чем внутри, потому что внутреннее пространство требует надлежащей вентиляции и специальной дымовой трубы для выбросов продуктов сгорания.Система может быть установлена ​​на крыше, хотя может оказаться невозможным прокладка газовых и электрических линий из подвала в зависимости от высоты и конфигурации здания.

поставляются с кожухами для наружного или внутреннего применения, чтобы защитить их от элементов и поддерживать надлежащее состояние системы. (Эффективность микротурбины снижается, когда температура окружающей среды поднимается выше 100 ° F). Корпус также помогает снизить шум: микротурбина издает устойчивый, но не подавляющий вихрь, похожий на звук реактивного двигателя, который слышен изнутри самолета.

Подключение к существующим системам здания осуществляется по принципу «включай и работай». Для сантехнических и электрических линий могут потребоваться некоторые модифицированные фитинги и приспособления, но в большинстве случаев серьезная реконфигурация не требуется. Установка обычно занимает от четырех до шести недель и требует обычных разрешений на работу от Департамента строительства города Нью-Йорка.

Имейте в виду, что когенерационные системы работают на специальной основе для здания, в котором они установлены, или для нескольких зданий, которые совместно используют теплоцентраль.В комплексе из нескольких зданий, в котором каждое здание имеет свой собственный котел, отдельные микротурбины могут быть настроены для отдельных зданий.

Поскольку они имеют только одну движущуюся часть и не нуждаются в смазочных материалах или охлаждающих жидкостях, когенерационные системы не требуют особого ухода. Техническое обслуживание подразумевает регулярную замену фильтров, чистку форсунок и обслуживание газовых компрессоров каждые 8000 часов. На микротурбины обычно предоставляется 10-летняя гарантия, некоторые из которых включают договорные гарантии для заданных уровней производительности.

Потенциальным недостатком реализации программы когенерации является дополнительная плата, которую электроэнергетическая компания может взимать за время простоя. Система предназначена для круглосуточной работы без выходных, за исключением планового обслуживания, но если потребность в электроэнергии упадет ниже минимальной нагрузки или будет недостаточно тепла или горячей воды, система отключится. Обычно коммунальное предприятие требует, чтобы система оставалась в рабочем состоянии примерно 300 дней в году (то есть примерно 80% времени), чтобы собственность могла претендовать на снижение тарифа на электроэнергию.

Если ваш совет директоров решит продолжить реализацию программы когенерации для вашего кооператива, он должен узнать о программах скидок, которые могут предложить газовые и электрические компании. Кроме того, кооперативы могут подавать заявки на финансирование через Программу распределенной генерации и комбинированного производства тепла и электроэнергии, предлагаемую Управлением исследований и развития энергетики штата Нью-Йорк (NYSERDA).

Учитывая довольно большие размеры вашего комплекса, установка когенерационной системы, вероятно, будет стоить несколько сотен тысяч долларов.Но, возможно, вашему кооперативу стоит изучить потенциальную экономию, которую может предложить такая программа.

Стивен Вароне , AIA — президент, Питер Варсалона , PE — руководитель RAND Engineering & Architecture, DPC . Эта колонка была первоначально опубликована в январском номере журнала Habitat Magazine за 2006 год.

Сколько энергии реально используют центры обработки данных?

Energy Innovation сотрудничает с независимой некоммерческой организацией Aspen Global Change Institute (AGCI), чтобы предоставлять обновленную информацию об исследованиях климата и энергетики.Приведенный ниже синопсис исследования предоставлен Эриком Масанетом и Нуоа Лей из Школы инженерии и прикладных наук Маккормика Северо-Западного университета, а полный список ежеквартальных обновлений исследований AGCI, охватывающих недавние исследования изменения климата в отношении путей экологически чистой энергии, доступен в Интернете по адресу https: // www.agci.org/solutions/quarterly-research-reviews

Дата-центры можно рассматривать как «мозги» Интернета. Их роль заключается в обработке, хранении и передаче данных, лежащих в основе бесчисленных информационных сервисов, на которые мы полагаемся каждый день, будь то потоковое видео, электронная почта, социальные сети, онлайн-сотрудничество или научные вычисления.

Дата-центры используют различные устройства информационных технологий (ИТ) для предоставления этих услуг, все из которых работают от электричества. Серверы обеспечивают вычисления и логику в ответ на информационные запросы, а на накопителях хранятся файлы и данные, необходимые для удовлетворения этих запросов. Сетевые устройства подключают центр обработки данных к Интернету, обеспечивая входящие и исходящие потоки данных. Электроэнергия, используемая этими ИТ-устройствами, в конечном итоге преобразуется в тепло, которое необходимо отводить из центра обработки данных с помощью охлаждающего оборудования, которое также работает на электричестве.

В среднем на серверы и системы охлаждения приходится наибольшая доля прямого потребления электроэнергии в центрах обработки данных, за ними следуют накопители и сетевые устройства (рис. 1). Некоторые из крупнейших в мире центров обработки данных могут содержать несколько десятков тысяч ИТ-устройств и требуют мощности более 100 мегаватт (МВт) — этого достаточно для обеспечения электропитания около 80 000 домашних хозяйств в США (U.S. DOE 2020).

По мере роста числа пользователей Интернета во всем мире растет и спрос на услуги центров обработки данных, что вызывает опасения по поводу растущего энергопотребления центров обработки данных.В период с 2010 по 2018 год глобальный IP-трафик — количество данных, проходящих через Интернет — увеличился более чем в десять раз, в то время как емкость хранилища глобального центра обработки данных увеличилась параллельно в 25 раз (Masanet et al., 2020). За тот же период количество вычислительных инстансов, запущенных на мировых серверах — показатель общего числа размещенных приложений — увеличилось более чем в шесть раз (см. Рисунок 3) (Masanet et al., 2020).

Ожидается, что эти сильные тенденции роста сохранятся по мере того, как мир потребляет все больше и больше данных.А новые формы информационных услуг, такие как искусственный интеллект (ИИ), которые требуют больших вычислительных ресурсов, могут еще больше ускорить рост спроса. Таким образом, возможность количественно оценить и спрогнозировать использование энергии центром обработки данных является ключевым приоритетом политики в области энергетики и климата.

Оценка энергопотребления центра обработки данных: история двух методов

В настоящее время официальная статистика энергопотребления центров обработки данных на национальном или глобальном уровнях не ведется. Следовательно, для оценки использования энергии необходимо использовать математические модели.Так называемые «восходящие» модели учитывают установленные запасы ИТ-устройств в различных центрах обработки данных и их характеристики энергопотребления, чтобы получить оценку общего энергопотребления. Хотя восходящие исследования предлагают много возможностей для понимания движущих сил использования энергии, они также требуют больших объемов данных и времени; поэтому они появляются не часто. Например, самое авторитетное восходящее исследование за последнее десятилетие появилось в 2011 году (Koomey 2011), и по его оценке, на центры обработки данных приходилось от 1 до 1.1 процент и 1,5 процента мирового потребления электроэнергии в 2010 году.

Напротив, модели, основанные на экстраполяции, оценивают общее потребление энергии, принимая предыдущие восходящие значения и масштабируя их на основе показателей роста рынка центров обработки данных, таких как глобальный IP-трафик (Andrae and Edler 2015) или инвестиции в центры обработки данных (Belkhir и Эльмелиги 2018). Поскольку подходы, основанные на экстраполяции, намного проще, они использовались для заполнения временных пробелов, оставленных спорадическими восходящими исследованиями.

Однако такие экстраполяции, как правило, позволяют оценить значительное увеличение потребления энергии центрами обработки данных, учитывая, что рыночные индикаторы, на которые они опираются, также быстро растут. Например, некоторые часто цитируемые экстраполяции предполагают, что энергия глобальных центров обработки данных, возможно, удвоилась с 2010 года, и, расширяя эту историческую логику, она будет продолжать стремительно расти в будущем (Andrae and Edler 2015, Andrae 2017, Belkhir and Elmeligi 2018 , Bawdy 2016). Этим оценкам было уделено значительное внимание (Jones 2018), что укрепило общее мнение о том, что быстро растущий спрос на данные равносилен быстрорастущему потреблению энергии центрами обработки данных.

Однако новые результаты, полученные снизу вверх, говорят об обратном: несмотря на быстрый рост спроса на информационные услуги за последнее десятилетие, глобальное потребление энергии центрами обработки данных, вероятно, выросло всего на 6 процентов в период с 2010 по 2018 год (Masanet et al.2020). Эти новые результаты были основаны на интеграции многочисленных недавних наборов данных, которые лучше характеризуют установленные запасы, рабочие характеристики и энергопотребление ИТ-устройств центра обработки данных, а также структурные сдвиги в отрасли центров обработки данных по сравнению с предыдущими исследованиями.

Вывод о том, что глобальные центры обработки данных, вероятно, потребляли около 205 тераватт-часов (ТВтч) в 2018 году, или 1 процент от глобального потребления электроэнергии, резко контрастирует с более ранними оценками, основанными на экстраполяции, которые показали быстро растущее потребление энергии центрами обработки данных в прошлом. десятилетие (рисунок 2).

Три основных эффекта эффективности объясняют это почти плато в потреблении энергии. Во-первых, энергоэффективность ИТ-устройств, в частности серверов и накопителей, существенно повысилась благодаря устойчивому технологическому прогрессу производителей ИТ.Во-вторых, более широкое использование программного обеспечения для виртуализации серверов, которое позволяет запускать несколько приложений на одном сервере, значительно снизило энергоемкость каждого размещенного приложения. В-третьих, большинство вычислительных инстансов было перенесено в крупные центры обработки данных облачного и гипермасштабируемого класса, в которых используются сверхэффективные системы охлаждения (среди других важных методов повышения эффективности) для минимизации энергопотребления (рисунок 2).

Эти эффекты эффективности плохо отражаются в подходах, основанных на экстраполяции, из-за отсутствия в них технологических и структурных деталей.Другими словами, хотя подходы, основанные на экстраполяции, обычно отражают факторы спроса на центры обработки данных, которые могут привести к увеличению энергопотребления (верхняя половина рисунка 3), они не могут адекватно улавливать сильные противодействующие тенденции эффективности (нижняя половина рисунка 3), которые сохраняют энергию. использовать в чеке.

А как насчет выбросов CO2?

Значительное потребление электроэнергии в центрах обработки данных также вызывает опасения по поводу выбросов углекислого газа (CO ₂ ). К сожалению, пока невозможно точно оценить общие выбросы CO ₂ из-за отсутствия данных о местонахождении подавляющего большинства глобальных центров обработки данных и интенсивности выбросов (измеряется в граммах CO ₂ на киловатт-час. ) их реальных источников электроэнергии.Лишь горстка компаний, в том числе Google, Apple, Switch и Facebook, публично сообщают такие данные, что указывает на растущую тенденцию среди некоторых из крупнейших мировых операторов центров обработки данных к закупкам возобновляемой энергии.

Знание об использовании электроэнергии глобальными центрами обработки данных, тем не менее, дает полезный эталон для проверки заявлений о влиянии услуг центра обработки данных на CO ₂ . Например, одно из часто повторяемых утверждений заключается в том, что мировые центры обработки данных выбрасывают столько же CO ₂ , сколько мировая авиационная промышленность (Pearce 2018), что составляет примерно 900 миллиардов килограммов CO ₂ (Air Transport Action Group 2020).Учитывая, что в последнее время глобальные центры обработки данных потребляли около 205 миллиардов кВтч, чтобы это утверждение было правдой, их средняя интенсивность выбросов электроэнергии должна быть около 4,4 кг CO ₂ / кВтч.

Тем не менее, средняя угольная электростанция, наиболее энергоемкий из имеющихся вариантов, имеет интенсивность выбросов менее четверти этого значения — около одного килограмма CO ₂ / кВтч (US EIA 2020). И очевидно, что не все центры обработки данных в мире работают на угле, особенно в свете использования возобновляемых источников энергии некоторыми крупными центрами обработки данных, на долю которых приходится увеличение доли глобальных вычислительных инстансов.

Еще одно недавнее заявление состоит в том, что «выбросы, возникающие при просмотре 30 минут Netflix (1,6 кг CO ₂ ), такие же, как при проезде почти четыре мили». Это утверждение подтверждается предположениями, что центры обработки данных, предоставляющие потоковые сервисы Netflix, будут потреблять около 370 ТВтч в год (Kamiya 2020). Тем не менее, это значение в 1,8 раза превышает оценку 205 ТВтч для всех мировых центров обработки данных вместе взятых, которые предоставляют обществу множество других информационных услуг, помимо потоковой передачи видео Netflix.(Для более полной оценки см. Камия 2020.)

Таким образом, улучшенная ясность, которую эти недавние восходящие оценки внесли в использование глобальных центров обработки данных, может также позволить «проверки реальности», которые выявляют неправдоподобность некоторых привлекающих внимание и широко распространенных заявлений о вкладе центров обработки данных в изменение климата.

Путь вперед

Тем не менее, в ближайшее десятилетие существует значительный риск того, что быстро растущий спрос на информационные услуги — и приложения с интенсивными вычислениями, в частности, AI — начнет опережать повышение эффективности, которое исторически сдерживало потребление энергии центрами обработки данных.Потенциал для значительного повышения эффективности все еще сохраняется, но потребуются инвестиции в технологии вычислений, хранения и отвода тепла следующего поколения, чтобы избежать потенциально резкого роста энергопотребления в конце этого десятилетия. Кроме того, потребуются параллельные инвестиции в источники возобновляемой энергии, чтобы свести к минимуму последствия для климата неизбежного использования энергии центрами обработки данных (Masanet et al.2020).

Для того, чтобы лица, принимающие решения, могли уверенно оценивать будущую эффективность и варианты смягчения последствий, необходимы более совершенные возможности моделирования, поэтому разработка более надежных и прогнозирующих методов, которые увеличивают частоту восходящего анализа и преодолевают ограничения прогнозов на основе экстраполяции, является ключевым приоритетом для энергетики. аналитическое сообщество.

Эти модели потребуются лицам, определяющим политику, и специалистам по энергетическому планированию для мониторинга будущих тенденций энергопотребления центров обработки данных, понимания основных движущих сил энергопотребления и оценки эффективности различных политических мер для управления возможным ростом энергопотребления. Поскольку центры обработки данных присутствуют практически повсюду, такие возможности потребуются как на национальном, так и на глобальном уровнях, особенно в Китае, где возможности центров обработки данных быстро расширяются.

Аналитикам следует учитывать несколько ключевых приоритетов.Во-первых, разработка и открытый обмен надежными источниками данных об установленных запасах, конфигурациях и характеристиках энергопотребления ИТ-устройств и систем охлаждения / электропитания позволит более общее и точное представление технологий в разных моделях. Такая технологическая детализация также обеспечит надлежащий учет важных тенденций эффективности. Во-вторых, следует обмениваться моделями и проводить межмодельные сравнения, чтобы аналитики могли разработать передовой опыт, повышая уверенность в результатах моделирования.В-третьих, аналитики должны работать вместе над разработкой методов моделирования новых тенденций, таких как искусственный интеллект, развертывание 5G и усиление периферийных вычислений, что позволит директивным органам заблаговременно понять их возможные последствия использования энергии. В-четвертых, следует разрабатывать и открыто распространять более надежные данные для Азиатско-Тихоокеанского региона и, в частности, для Китая, где спрос на центры обработки данных быстро растет. Наконец, необходимы более совершенные методы для перспективного анализа технологий вычислений, хранения и отвода тепла следующего поколения для ускорения инвестиций в технологии, которые могут предотвратить рост энергопотребления в будущем.

Группа действий по воздушному транспорту (2020). Факты и цифры. https://www.atag.org/facts-figures.html

Andrae, A.S. и Эдлер Т. (2015). О глобальном использовании электроэнергии с помощью коммуникационных технологий: тенденции до 2030 года. Вызовы, 6 (1), стр.117-157.

Андрэ, Андерс. (2017). Прогноз общего потребления электроэнергии потребителями. https://www.researchgate.net/publication/320225452_Total_Consumer_Power_Consuming_Forecast

Bawdy, T. (2016).Глобальное потепление: в следующем десятилетии центры обработки данных будут потреблять в три раза больше энергии, предупреждают эксперты. Независимый. Суббота, 23 января 2016 года.

Белхир Л., Эльмелиги А. (2018). Оценка глобального воздействия выбросов ИКТ: тенденции до 2040 года и рекомендации. Журнал чистого производства, 177, стр. 448-463.

Джонс Н. (2018). Как помешать центрам обработки данных поглощать мировую электроэнергию. Природа. 2018 сентябрь; 561 (7722): 163-166. DOI: 10.1038 / d41586-018-06610-у.

Камия, Джордж (2020).Factcheck: каков углеродный след потокового видео на Netflix? Carbon Brief, 25 февраля,

Куми, Джонатан (2011). «Рост потребления электроэнергии центрами обработки данных с 2005 по 2010 год». Отчет Analytical Press, составленный по запросу The New York Times 9 (2011): 161.

Масанет, Эрик, Арман Шехаби, Нуоа Лей, Сара Смит и Джонатан Куми. «Перекалибровка оценок энергопотребления в глобальных центрах обработки данных.Наука 367, нет. 6481 (2020): 984-986.

Пирс, Ф. (2018). «Energy Hogs: можно ли повысить эффективность огромных мировых центров обработки данных?» Yale Environment 360, 3 апреля