Транспортная энергетика. Общие понятия энергетики презентация

Общая трудоемкость дисциплины
144 часа, из них:
Зачетных единиц -4;
Аудиторных занятий - 51 час:
Лекций – 17 часов;
Практических занятий -34 часов;
Сам. работа – 66 часов;
Экзамен -27 часов

ЛИТЕРАТУРА
а) основная литература:
1. Кудинов, В.А. Техническая термодинамика и теплопередача: учебник для бакалавров / В.А.Кудинов, Э.М.Карташов, Е.В.Стефанюк. М.: Изд-во Юрайт, 2011. 560 с.
2. Косулин, В.Д. Транспортная энергетика: учеб. пособие/ В.Д.Косулин. -СПб.: ГУАП, 2012. 208 с.
3. Косулин, В.Д. Транспортная энергетика: метод. Указания к практ. занят./ В.Д.Косулин. -СПб.: ГУАП, 2012. 208 с.
4. Вахламов, В. И. Теория и конструкция автомобиля и двигателя : учебник В. И. Вахламов – М. : Академия, 2005.
5. Николаенко, А. В. Энергетические установки и машины. Двигатели внутреннего сгорания : учеб. пособие А. В. Николаенко – СПб. : СПбГАУ, 2005.
6. Стуканов, В. А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобилей : учеб. пособие В. А. Стуканов - М. : ИНФРА-М, 2004.

б) дополнительная литература:
1.Котиков, Ю.Г. Транспортная энергетика: учеб. пособие / Ю.Г.Котиков, В.Н.Ложкин; под ред. Ю.Г.Котикова. М.: Издательский центр "Академия", 2006. 272 с.
2. Колчин, А. И. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие А. И. Колчин. – М.: Высшая Школа, 2002.
3. Карагандин, В. И. Ремонт автомобилей и двигателей : учебник В. И. Карагандин, Н. И. Митрохин. – М.: Мастерство. Высш.шк., 2001.
4. Автомобильный справочник. BOSCH: пер. с англ. Г. С. Дугин – 1-е изд-е. – М.: За рулем, 2000.

Основные разделы, которые предстоит изучить в рамках дисциплины, следующие:
1.Общие понятия энергетики.
2.Основные положения термодинамики и теплотехники.
3.Рабочие процессы и их организация в транспортных силовых установках.
4.Судовые энергетические установки и системы энергоснабжения судов.
5.Энергетические установки железнодорожного транспорта.
6.Энергетические установки и системы энергоснабжения летательных аппаратов.
7.Энергоемкость и энергетическая эффективность транспортной продукции.
8.Применение энергосберегающих и природоохранных технологий на транспорте.
9.Особенности перевозки опасных и скоропортящихся грузов.

Поскольку каждый из приведенных разделов при детальном изучении требует значительного лекционного времени, то для односеместрового курса объем изложения материала сжат до уровня концептуального представления о тех или иных системах энергоснабжения.
Соответственно наиболее общая задача курса может быть сформулирована как задача формирования у студентов энергетического мировоззрения, позволяющего при решении частных задач организации транспортных перевозок принимать грамотные решения, обеспечивающие доставку грузов с минимальными затратами и гарантией качества.

Раздел 1.ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ
Учебные вопросы
1.1. Энергия, работа, единицы измерения
1.2 Виды энергии
1.2.1 Механическая энергия
1.2.2 Тепловая энергия
1.2.3 Химическая энергия
1.2.4 Электрическая энергия
1.2.5 Лучистая (солнечная) энергия
1.2.6 Ядерная энергия

ВВЕДЕНИЕ
Энергетика представляет собой совокупность подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Назначение энергетики состоит в обеспечении производства энергии путем преобразования первичной энергии (например, химической, содержащейся в нефти) во вторичную (электрическую) и эффективное использование ее конечным потребителем (каким-либо механизмом).
Таким образом,
Энергетика - это область деятельности, связанная с производством и потреблением энергии.

Базовые понятия энергетики включают в себя такие понятия, как:
- энергия, ее виды и формы;
- энергоносители и топливо;
- основные законы и методы преобразования энергии, типы преобразователей;
- способы передачи и аккумулирования энергии.
Знание всех компонентов понятия энергетики и их взаимосвязи позволит составить системное представление об энергетике в целом и возможностях эффективного функционирования ее подобласти - транспортной энергетики, связанной с осуществлением перевозок.

Учебный вопрос №1
1.1 ЭНЕРГИЯ, РАБОТА, ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Энергия является универсальной количественной мерой движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия - скалярная характеристика движения материи и работы, совершаемой материальными телами.
Как известно, работа (L) - есть мера изменения энергии. Работа совершается под действием силы, которая возникает при наличии полей, окружающих тела. Каждой форме движения материи соответствует свой вид энергии: механическая, химическая, тепловая, электрическая, ядерная (атомная) и др.
Энергия может превращаться из одного вида в другой. При этом полная энергия E изолированной системы (сумма всех видов энергии в объекте) в соответствии с законом сохранения энергии остается неизменной.
Полная энергия тела (системы) состоит из кинетической энергии движения тела, потенциальной энергии, обусловленной наличием силовых полей, и внутренней энергии.

В соответствии с физическими носителями энергии можно выделить основные ее виды [1]:
- механическая (носители - совокупность молекул в массивном теле);
- тепловая (носители - атомы и молекулы, находящиеся в хаотическом движении);
- химическая (носители - электроны внешних орбит);
- электрическая (носители - электроны и ионы, движущиеся в проводниках, жидкостях, газах и вакууме);
- лучистая или солнечная (носитель - электромагнитное поле);
- ядерная (носитель - нуклоны).

Энергия E , которая содержится в энергоносителях и обеспечивает работу конечных энергетических установок, называется подведенной.
Энергия, которая обеспечивает конечные производственные процессы - механические, тепловые, передачу информации и т.п., носит название конечной или полезной.
Степень совершенства устройства, осуществляющего передачу или преобразование энергии, характеризует коэффициент полезного действия η (КПД), который равен отношению полезной энергии Eпол к подведенной:
η = Eпол/E
Для характеристики действия различных машин важно знать не только количество работы L , которую может совершить данная машина, но и время, в течение которого эта работа может быть совершена. Этим определяется в конечном счете производительность всякой машины.

Отношение произведенной работы ко времени t, в течение которого эта работа была произведена, называют мощностью и обозначают буквой N
N=L/t.
С развитием техники смена поколений машин и механизмов сопровождалась увеличением КПД преобразователей энергии. Так, КПД паровых машин вначале был 5-7%, затем достиг 10% у паровоза, а тепловоза - 28%. У современных двигателей внутреннего сгорания и поршневых паровых машин КПД не превышает 35%, а у паровых газовых турбин - 40%.

Единицей измерения энергии в Международной системе единиц СИ является джоуль (1 Дж = 1 Нм). В тепловых расчетах применяют калорию (1 кал = 4,1868 Дж). В производстве и быту используют единицу, которая называется киловатт-часом (1 кВтч = 3,6·106 Дж = 860 076 кал). Для оценки запасов источников энергии в качестве ее единицы часто применяется тонна условного топлива - угля (т.у.т.). При полном сгорании 1 т.у.т. выделяется энергия 7·103 ккал.
За единицу мощности принимают такую мощность, при которой за единицу времени совершается работа, равная единице. В системе СИ единицей мощности служит джоуль в секунду. Эта единица называется ватт (Вт). На практике до сих пор в ходу внесистемная единица мощности - лошадиная сила (л.с.): 1 л.с. = 736 Вт.

1.2 Виды энергии
В соответствии с приведенной выше классификацией рассмотрим общую характеристику каждого вида энергии.
1.2.1 Механическая энергия
Как было сказано, механическая энергия связана с движением и взаимодействием материальных тел в пространстве и времени. Поскольку механическая энергия является конечным видом энергии для транспортных систем, напомним основные положения механики.

Если сила постоянна при перемещении тела, то можно дать следующее определение работы:
Работа равна проекции перемещения точки приложения силы на направление силы, умноженной на модуль силы.
При вращательном движении работу производит момент силы M, равный произведению силы P на плечо силы h, которое определяется как кратчайшее расстояние между направлением действия силы и осью вращения.
Учитывая, что плечо h - есть радиус окружности с центром в проекции оси вращения, равный расстоянию от центра вращения до точки приложения силы, справедливо тождество
cosαds=cosαhdφ=hdφ,
поскольку α =0.

Соответственно выражение для работы момента силы примет вид
Поскольку энергия - есть физическая величина, характеризующая способность тела или системы тел совершать работу, а работа, соответственно, есть мера изменения энергии, то работа измеряется в тех же единицах, что и энергия.
По форме механическую энергию подразделяют на потенциальную и кинетическую.

Потенциальная энергия Eп характеризуется работой потенциальной силы. Простейшим примером потенциальной энергии может служить энергия тела, поднятого над землей на некоторую высоту. Эта энергия равна произведению веса тела на высоту относительно принятого нулевого уровня и не зависит от того, по какому пути происходил подъем, а определяется только начальным и конечным положением тела. При этом совершенно неважно, как выбран нулевой уровень, поскольку всегда важна не сама потенциальная энергия, а ее изменение.

Простейшей иллюстрацией сказанного может служить перемещение тела по наклонной плоскости. Пусть тело массой m (рис.1.1), находящееся на наклонной плоскости, под действием силы F=mgsinα совершает равномерное перемещение из точки А в точку В (силой трения пренебрегаем).
Рис.1.1. Перемещение тела массой m по наклонной плоскости. F - сила тяги; Fр - сила реакции опоры.

Тогда работу данной силы найдем по формуле L=Fl=mglsinα , где l -длина наклонной плоскости.
Поскольку h=lsinα, произведенная работа равна приращению потенциальной энергии тела: ΔE=mgh, величина которого не зависит от способа перемещения тела, а определяется лишь высотой подъема тела над начальным уровнем.
Другим примером может служить потенциальная энергия сжатой (растянутой) пружины. Каждая пружина обладает своей жесткостью, величину которой характеризует коэффициент пропорциональности между силой упругости и величиной деформации пружины. При одинаковых действующих силах растяжение пружины с меньшей жесткостью больше, чем пружины с большей жесткостью. Соответственно и работа мягкой пружины будет больше, чем работа пружины с большей жесткостью.

Эту закономерность наглядно можно проиллюстрировать на примере работы рессор и амортизаторов. Так, при посадке на землю самолета амортизатор шасси, сжимаясь, должен произвести большую работу, гася вертикальную скорость самолета. В амортизаторе с малой жесткостью сжатие будет больше, зато возникающие силы упругости будут меньше и самолет будет лучше предохранен от повреждений от динамических нагрузок. По той же причине при тугой накачке шин велосипеда дорожные толчки ощущаются резче, чем при слабой накачке.

Кинетической энергией обладают тела, движущиеся с некоторой скоростью. Если тело под действием внешней силы получает ускорение и перемещается, то эта сила совершает работу, а тело приобретает скорость, т.е. приобретает кинетическую энергию.
При поступательном движении тела, на которое действует сила, совпадающая по направлению с перемещением, работа, совершаемая силой, равна кинетической энергии, приобретаемой телом. Эту энергию найдем из выражения для вычисления работы силы, проведя некоторые тождественные преобразования:
где m - масса, a- ускорение, v - скорость тела, α =0.

При вращательном движении роль массы играет момент инерции тела I, а роль скорости - угловая скорость
Момент инерции тела связан с моментом силы зависимостью I=M/ε , где угловое ускорение.
Тогда формулу для расчета кинетической энергии при вращательном движении получим из выражения для работы момента силы:

Если тело участвует одновременно в поступательном и вращательном движении, кинетическая энергия тела складывается из двух составляющих.
Энергия может переходить из одного вида в другой, от одного тела к другому, но при отсутствии сил трения и при воздействии только сил упругости и тяготения суммарная потенциальная и кинетическая энергия тела или системы тел остается во всех случаях постоянной. В этом заключается закон сохранения механической энергии.

В качестве примера действия закона сохранения энергии может служить падение тела массой m с высоты h. Для наглядности положим начальную скорость тела, равной нулю, и пренебрежем сопротивлением воздуха.
Из кинематики известно, что скорость при равноускоренном движении с нулевой начальной скоростью можно найти по формуле vt=gt, где g - ускорение свободного падения. В свою очередь путь, пройденный телом (высота h), равен h=gt2/2.

Потенциальная энергия тела в верхней точке равна E=mgh. Поскольку начальная скорость нулевая, то полная механическая энергия тела равна потенциальной энергии. В конце пути (в момент касания с землей) тело приобрело кинетическую энергию
Подставив в данную формулу выражение для vt и учитывая формулу для h, получим

Таким образом, потенциальная энергия, которой обладало тело в верхней точке, полностью перешла в кинетическую энергию в нижней точке пути. Если рассмотреть какое-либо промежуточное положение тела, то легко можно установить тот факт, что сумма потенциальной и кинетической энергий тела в любой точке пути в точности равна потенциальной энергии в верхней точке или кинетической энергии в нижней. При этом полная механическая энергия остается неизменной.

1.2.2 Тепловая энергия
В реальных условиях при взаимодействии тел имеют место силы трения, которые вносят свои коррективы в закон сохранения механической энергии, сформулированный нами выше. Так, например, при падении камня в снег или в песок и кинетическая и потенциальная энергии его убывают, поскольку он опускается и уменьшает свою скорость.
Когда механическая энергия тел убывает, часто наблюдается нагревание тел. Кроме нагревания, при трении могут происходить и другие изменения состояния тел: размельчение, превращение тела из твердого состояния в жидкое и т.п. Таким образом, мы имеем дело с изменением внутренней энергии тел.

Если в результате действия внешних сил производится работа против сил трения, в результате чего температура тела повышается или оно измельчается, расплавляется или испаряется, то внутренняя энергия тела увеличивается. Если наоборот, температура тела уменьшается, если оно превращается из газообразного состояния в жидкое и т.п., то внутренняя энергия тела уменьшается.
Однако неправильно было бы считать, что изменение внутренней энергии тела может происходить только при совершении работы. Например, при остывании печи никакой работы не производится, а внутренняя энергия печи уменьшается. При этом, однако, окружающие тела - воздух, стены, предметы в комнате - нагреваются, т.е. увеличивают свою внутреннюю энергию. В этих случаях говорят, что происходит передача теплоты.

Необратимый самопроизвольный процесс передачи теплоты называется теплообменом. Существуют следующие виды передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.
Знание законов теплообмена позволяет эффективно передавать теплоту потребителям и уменьшать ее потери в линиях теплопередачи.
Теплота представляет собой форму проявления внутреннего беспорядочного (хаотического) движения частиц тела (системы тел).
Для характеристики процесса теплопередачи вводится понятие количества теплоты , которое соответствует изменению внутренней энергии тела при теплопередаче. Это количество теплоты и называют тепловой энергией.

Для измерения количества теплоты используется такая единица, как калория (внесистемная единица). В системе СИ единицей измерения количества теплоты является Джоуль.
Одна калория равна такому количеству теплоты, которое необходимо для нагревания одного грамма чистой воды от 19,5 до 20,5 град С.
Опытами Джоуля было установлено, что для нагревания одного грамма воды на один градус требуется совершить 4,1868 джоуля работы. Соответственно величина 4,1868 Дж/кал получила название механического эквивалента теплоты.

Тепловые процессы рассматриваются термодинамикой и теплотехникой. Термодинамика изучает процессы в системах путем анализа превращения теплоты в различные виды энергии. Теплотехника охватывает производство, распределение, транспортирование и утилизацию теплоты.
Основные положения термодинамики и некоторые аспекты теплотехники будут рассмотрены нами в последующих разделах курса.
Источниками тепловой энергии в природе и технике являются химические реакции, электрический ток, электромагнитное излучение и ядерные реакции.

1.2.3 Химическая энергия
Данный вид энергии является частью внутренней энергии вещества и связан с взаимодействием атомов в молекуле. Вещества вступают во взаимодействие - реакции, и тогда образуются новые вещества. Реакцию характеризует энергия активации, необходимая для разрыва связей реагирующих веществ и способствующая образованию новых связей и веществ.
Реакции бывают экзотермическими и эндотермическими. Первые протекают с выделением энергии, вторые - с ее поглощением. К экзотермическим реакциям относятся реакции сжигания топлива. Процесс сжигания топлива называется горением.

Для горения характерно интенсивное выделение энергии, образование пламени, свечение, превращение твердого и жидкого топлива в газ. При горении образуется дым - аэрозоль, состоящий из твердых частиц размером 0,1...10 мкм, взвешенных в газовой среде. После горения остается зола - минеральный осадок, содержащий двуокись кремния, окислы железа и другие соединения.
В качестве топлива широко используется о р г а н и ч е с к о е топливо, в состав которого входят углерод, водород, кислород, азот, сера, вода и другие элементы и вещества. В зависимости от агрегатного состояния оно бывает твердым (уголь, древесина, торф), жидким (керосин, бензин, солярка, мазут) и газообразным (природные и искусственные газы).

Природным топливом являются древесина, природный газ, полезные ископаемые растительного происхождения (каменный и бурый уголь, антрацит, горючие сланцы, торф); искусственным - бензин, керосин, солярка, мазут, водород, кокс, коксовые и генераторные газы и др.
Энергетическая эффективность топлива определяется удельной теплотой сгорания, равной теплоте, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива.
Различают высшую удельную теплоту сгорания H0 - без учета потерь на испарение влаги, содержащейся в топливе, и низшую удельную теплоту сгорания Hu - с учетом этих потерь. Значения удельной теплоты сгорания для некоторых видов органического топлива приведены в табл.1.1.

Для сопоставления разных видов топлива и его суммарного учета используют понятие воображаемого условного топлива с низшей удельной теплотой сгорания, равной 29,3 МДж/кг. Масса условного топлива mу выражается через массу натурального топлива mн с помощью соотношения mу = mн Hu /29,3.
Таблица 1.1 - Удельная теплота сгорания органического топлива

Перспективным видом топлива является водород. Он имеет втрое более высокую теплоту сгорания, чем у нефти, а при его сгорании образуется вода. (Реакция горения - реакция окисления, поэтому взаимодействие водорода с кислородом дает чистую воду). Тем не менее, говоря о водороде, как о топливе, обратим внимание на следующее. Бензин, залитый в бак вместимостью 80 л, имеет массу 56 кг, а эквивалентное по энергосодержанию количество водорода имеет массу 20 кг. Стальные резервуары для такого количества газа должны иметь массу несколько тонн. Кроме того, получение водорода - дорогостоящий процесс.

В качестве топлива могут быть использованы спирты - метанол CH3OH и этанол C2H5OH. Добавление 20% спирта к бензину делает полученную смесь (газохол) приемлемой для обычных двигателей.
Применение чистого спирта требует доработки двигателя внутреннего сгорания, но двигатель, работающий на спирте, выделяет гораздо меньше продуктов сгорания, чем бензиновый двигатель.
Следует также отметить [3], что городские отходы на 40-60% состоят из веществ, не уступающих по теплоте сгорания низкосортным маркам угля. Решая проблему утилизации отходов, необходимо предусмотреть возможность использования этой теплоты. Наиболее разработанные технологии биоэнергетики - биохимическая или термохимическая конверсия отходов в биогаз и этанол.

1.2.4 Электрическая энергия
Данный вид энергии – единственный, который удается производить в больших количествах, передавать на значительные расстояния и сравнительно просто распределять. Кроме того, электрическая энергия легко преобразуется в другие виды энергии.
Природу электрических явлений изучает электродинамика, а методы получения, передачи, распределения и использования электрической энергии - электротехника. Электрическая энергия обусловлена наличием заряженных тел, электрического тока, электрического и магнитных полей.

В промышленных масштабах электрическая энергия вырабатывается электрическими станциями, где энергия падающей воды, или энергия от сгорания топлива преобразуется в конечном счете в электрическую энергию с помощью электрических генераторов переменного тока - электромеханических преобразователей механической энергии вращательного движения в электрическую. Посредством линий электропередач электрическая энергия отдается в энергетическую систему.

Процесс передачи энергии от электростанций потребителям можно пояснить с помощью схемы, изображенной на рис.1.2.
Рис.1.2. Схема передачи электроэнергии от электростанции (Э/ст) к потребителям (П) через трансформаторные подстанции (ТП) и линии электропередач (ЛЭП)

Турбина Т, приводимая во вращение либо водой (гидроэлектростанции), либо газами, полученными от сгорания топлива, (теплоэлектростанции), вращает ротор турбогенератора Г, который вырабатывает электрическую энергию. Трансформаторные подстанции ТП предназначены для преобразования напряжения, что необходимо для снижения потерь в высоковольтных линиях электропередачи (ЛЭП). Потребители П получают энергию от трансформаторных подстанций ТП. При передаче энергии на большие расстояния от ЛЭП энергия поступает на распределительные пункты (на схеме не показаны), через которые осуществляется ее распределение по потребителям.

В магистральных сверхдальних линиях электропередач используется напряжение свыше 500 кВ. Для передачи энергии от магистральных ЛЭП к распределительным пунктам используется напряжение 220 и 350 кВ. К населенным пунктам передача осуществляется при напряжениях 35 кВ, 110 кВ, 150 кВ. К потребителям электроэнергия подается при напряжениях ниже 20 кВ. Значения номинальных напряжений регламентированы ГОСТ 721-77 (СТ СЭВ 779-77) "Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии".

Не вдаваясь в детали работы отдельных элементов схемы рис.1.2 (что не входит в задачи настоящего курса), рассмотрим с энергетической точки зрения, какие режимы характерны для систем передачи электрической энергии. Для этого представим систему передачи электроэнергии упрощенно в виде электрической цепи, как на рис.1.3.
Рис.1.3. Модель линии передачи :E- ЭДС источника энергии; Rн - сопротивление потребителей; Rл - сопротивление линии передачи

Ток I, напряжение Uн на нагрузке, мощность, выделяющуюся в нагрузке Pн и в линии Pл, найдем из выражений:
Мощность, отдаваемая источником во внешнюю цепь, равна P=EI. Коэффициент полезного действия (КПД), характеризующий эффективность передачи энергии,

Режим, соответствующий нулевому сопротивлению нагрузки, носит название режима короткого замыкания и является аварийным. В этом случае все напряжение источника падает на сопротивлении линии. Если сопротивление нагрузки отключено (Rн = ∞), то ток в линии равен нулю, а соответствующий режим работы линии носит название режима холостого хода.
В обоих режимах мощность, выделяющаяся в нагрузке, равна нулю. Следовательно, при увеличении тока, начиная с режима холостого хода, мощность в нагрузке сначала растет, а затем, достигая максимума, уменьшается до нуля в режиме короткого замыкания. Анализ зависимости мощности Pн от сопротивления нагрузки Rн позволяет обозначить еще один режим работы линии, который носит название режима согласованной нагрузки.

Возьмем производную
и приравняем ее нулю. Тогда получим, что выделяющаяся в нагрузке мощность максимальна при равенстве сопротивлений линии и нагрузки, т.е. при согласовании соответствующих сопротивлений. Очевидно, что в режиме согласованной нагрузки мощность источника делится поровну между мощностью, выделяющейся в линии, и мощностью нагрузки, а КПД η=0,5. Этот режим целесообразен для систем передачи информации, когда на первый план выступает требование передачи по линии сигнала максимально возможной мощности, а величина КПД существенной роли не играет.

Рассмотрим графики (рис.1.4а) изменения напряжения в нагрузке, мощностей и КПД в функции тока I, которые можно построить для конкретных параметров модели линии передачи по приведенным выше формулам.
Рис.1.4. Графики изменения напряжения на нагрузке, мощностей и КПД линии передачи (а) и форма графика зависимости КПД от тока в реальной системе (б)
а) б)

Как видно из графика рис.1.4,а, мощность Pн , выделяющаяся в нагрузке, имеет максимум при токе, равном половине тока короткого замыкания Iкз (режим согласованной нагрузки). При любом токе (например, Ii ) сумма напряжения на нагрузке Uн и падения напряжения в линии Uл (Uл = Ii Rл ) равна ЭДС E.
Характер кривых, приведенных на рис 1.4,а, соответствует картине изменения соответствующих величин в реальных линиях передачи.

Зависимость КПД для рассмотренной упрощенной схемы представляет собой прямую, идущую из точки (0;1) в точку (0;Iкз). В реальных системах КПД не достигает единицы ни при каких условиях, поскольку это означало бы отсутствие любых потерь. Поэтому реальный характер изменения КПД от тока имеет вид, как на рис.1.4,б. В режиме холостого хода всегда имеют место потери в генераторах, вырабатывающих ЭДС, поэтому при нулевой потребляемой мощности КПД всегда равен нулю. При проектировании устройств и линий, связанных с производством, передачей и потреблением электрической энергии, следует стремиться к тому, чтобы режим их работы был близок к точке (при токе Iηmax), соответствующей максимуму КПД ηmax(рис.1.4,б).

В основе принципа работы электрических машин лежит явление электромагнитной индукции - возникновение электродвижущей силы в проводнике (витке), если он движется в постоянном, или покоится в меняющемся магнитном поле. Наличие свободных электрических зарядов в проводнике приводит к возникновению электрического тока. Если его сила и направление не меняются со временем, то такой ток - постоянный. Если ток изменяется во времени как по величине, так и по направлению, то такой ток - переменный.
Для того, чтобы составить представление о способе генерирования переменного напряжения, рассмотрим, что происходит при вращении прямоугольного витка медного провода (ав) вокруг оси вращения O с угловой частотой ω в постоянном магнитном поле с магнитной индукцией (рис.1.5).

Рис.1.5. Вращение витка в магнитном поле

Рассмотрим произвольное положение витка, в котором угол между вектором скорости и направлением вектора магнитной индукции равен α. По закону электромагнитной индукции благодаря наличию составляющей скорости, перпендикулярной вектору индукции, в проводнике "а" наводится ЭДС, величина которой равна E=Blsinα, где l - длина проводника. Направление ее определяется по правилу "правой руки" и обозначено точкой (направление к наблюдателю). В проводнике "в" картина аналогичная, только направление ЭДС - в сторону "от наблюдателя", что обозначено крестом на рисунке. Поскольку проводники соединены последовательно, наводимые в них ЭДС складываются.

При вращении витка с постоянной угловой частотой справедливы равенства: α=ωt, v=ωR, где R - расстояние "Оа" (радиус вращения) на рис.1.5. Тогда ЭДС в витке будет изменяться по синусоидальному закону: e=Emsinωt, где Em=2BlωR. Произведение 2BlR есть не что иное, как максимальная величина магнитного потока Фm, проходящего через виток. Тогда e = Фm ωsinωt. Если замкнуть виток на какую-либо нагрузку, то по цепи потечет синусоидальный ток.

Следует заметить, что для получения синусоидальной ЭДС в витке совсем не обязательно вращать его в магнитном поле. Можно оставить виток неподвижным, а вращать само магнитное поле. Главное, чтобы было обеспечено их взаимное перемещение. Именно такой принцип и лежит в основе работы электрических машин- генераторов, которые являются основными источниками электрической энергии на электростанциях. В них магнитное поле создается электромагнитом, расположенном на роторе (вращающейся части электрической машины), а обмотки, в которых возникают переменные ЭДС, располагают на статоре (неподвижной части электрической машины). На машинах средней и малой мощности в качестве источника магнитного поля часто используют постоянные магниты.

Если виток и магнитное поле в пространстве неподвижны относительно друг друга, а угол α<π/2 (обычно α=0), то при изменении величины магнитного потока по синусоидальному закону во времени в витке также возникнет синусоидальная ЭДС. Такая картина имеет место в трансформаторах устройствах, предназначенных для изменения величины напряжения в цепях переменного тока.
Многие транспортные системы строятся по принципу работы электростанций, где топливо используется в качестве первичного источника энергии, преобразуемой в электрическую с помощью электрических генераторов, а движителями служат - электродвигатели как постоянного, так и переменного тока.

Подробное изложение теории электрических машин не входит в задачу данного курса. Принцип действия и конструктивные схемы отдельных типов машин будут нами рассмотрены в разделах, посвященных энергетическим установкам транспортных систем. Здесь же мы остановимся лишь на некоторых самых общих вопросах терминологии и их физической интерпретации.
Генераторы, вырабатывающие электрическую энергию на электростанциях, носят название синхронных генераторов. Особенность их в том, что электромагнитное поле, создаваемое токами в обмотках генератора, вращается в статоре генератора со скоростью, равной скорости вращения ротора. Вследствие этого, частота переменного тока, отдаваемого во внешнюю сеть, стабильна и не зависит от нагрузки синхронного генератора (кончено, при условии стабильности скорости вращения приводного двигателя).

На транспорте в качестве приводных в ряде случаев используются асинхронные электродвигатели. В статоре такого электродвигателя создается вращающееся электромагнитное поле, скорость вращения которого жестко связана с частотой переменного тока, подведенного к обмоткам. Скорость же вращения ротора асинхронного двигателя меньше скорости вращения поля, причем чем больше нагрузка на валу, тем меньше скорость вращения вала. Именно поэтому такие двигатели носят название асинхронных.
Для привода колесных пар электротранспорта применяются также двигатели постоянного тока. Такие двигатели обладают хорошими регулировочными характеристиками, позволяющими плавно регулировать скорость вращения ротора.

Электрические машины - обратимые электромеханические преобразователи, которые могут работать как в генераторном режиме (преобразование механической энергии в электрическую), так и в двигательном (преобразование электрической энергии в механическую).
Тепловое действие электрического тока проявляется в проводниках, через которые проходит ток i. Количество выделяющейся теплоты за время t в соответствии с законом Джоуля-Ленца определяется по формуле Q=i2Rt и в неподвижном проводнике равно работе электрического тока. Здесь R - активное сопротивление проводника.

Уместно также напомнить, что передача переменного тока осуществляется посредством трехфазных электрических цепей. В трехфазной системе легко организуется вращающееся электромагнитное поле, которое необходимо для работы электрических машин переменного тока. Кроме того, трехфазная система позволяет снижать пульсации тока при выпрямлении переменного тока, а также использовать два рабочих напряжения: линейное и фазное. По сравнению с однофазной системой трехфазная позволяет экономить цветной металл в линиях электропередач (до 50%).

1.2.5 Лучистая (солнечная) энергия
Источником лучистой энергии для Земли является Солнце. Внешне Солнце представляет собой газообразный шар радиуса 6955000 км с массой 1,98·1030 кг. Таким образом, плотность солнечного вещества ненамного больше плотности воды. Самыми распространенными элементами на Солнце являются водород H11 (около 70% всей массы Солнца) и гелий He42 (более 28%). Всего же, по данным спектрального анализа солнечного излучения, на Солнце более 70 различных химических элементов.
Основным источником энергии солнечного излучения является термоядерная реакция [4] , которую можно записать в следующем виде:
4H11 —› He42 + ΔE.

Данная реакция возможна благодаря огромному давлению, под которым находится водород внутри Солнца. Каждую секунду примерно 6·1011 кг водорода превращаются в гелий. Дефект массы (разница в массах вступающих в реакцию элементов и получающихся в результате реакции) равен: Δm=4·1,008г(H11)-4,003г(He42)=0,029г. С учетом ежесекундной массы вступающего в реакцию водорода, дефект массы составляет 4·109 кг. В соответствии с формулой Эйнштейна E=mc2, где c - скорость света, выделяющаяся энергия определится как ΔE= mc2.

Ежесекундно Солнце излучает энергию порядка 3,8·1026 Дж. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного. Поскольку в окружающем пространстве лучистая энергия Солнца рассеивается обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта, поверхности Земли достигает всего 4,5·10-8% этой энергии. Тем не менее, энергией, поступающей на поверхность площадью 20 тыс. кв. км, можно обеспечить потребность в ней всего населения земного шара.

Эти данные свидетельствуют о возможностях, которые открываются перед человечеством в случае освоения способов преобразования солнечной энергии. Кроме того, если учесть полную массу Солнца (1,98·1030 кг), то при постоянном и относительно стабильном излучении энергии его существование продлится в течение свыше 10 млрд. лет. Данный факт еще раз подтверждает актуальность задачи освоения солнечной энергии в условиях истощения природных земных энергетических ресурсов.

В настоящее время человечеством осваиваются следующие способы преобразования солнечной энергии:
- преобразование солнечной энергии в теплоту (сооружения типа теплиц посредством нагревания теплоносителей в теплоизолированных приемниках излучения; солнечные тепловые электростанции);
- прямое преобразование солнечной энергии в электрическую (термо- и фотоэлектрический методы; электроэнергия от солнечных батарей пока на два порядка дороже вырабатываемой тепловыми электростанциями).
Принципиально возможно осуществить преобразование солнечной энергии в механическую при использовании эффекта солнечного паруса. Поток фотонов оказывает давление на поверхность земли, равное 5 мкПа. Эффект солнечного паруса обусловлен разницей давления света на идеально отражающую и полностью поглощающую поверхности.

1.2.6 Ядерная энергия
Ядерная энергия используется в ядерных реакторах - устройствах, в которых осуществляются управляемые ядерные цепные реакции, сопровождающиеся выделением теплоты.
Основными элементами реактора являются:
-активная зона, где протекает ядерная реакция;
-замедлитель и отражатель нейтронов;
-теплоноситель для отвода теплоты, образующейся в реакторе;
-регуляторы скорости развития цепной реакции;
-радиационная защита.

По прогнозам, для обеспечения человечества энергией природных запасов органического топлива хватит на полстолетия. В будущем основным энергоресурсом может стать солнечная энергия. На переходный же период требуется источник энергии, практически неисчерпаемый, дешевый, возобновляемый и не загрязняющий окружающую среду. И хотя ядерная энергетика не отвечает полностью сформулированным требованиям, эта область интенсивно развивается.

Учебный вопрос №1.3
ИСТОЧНИКИ, РЕСУРСЫ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

Источники, ресурсы, преобразование и аккумулирование энергии
В общем понимании термина, ресурсы - это средства, ценности, источники ценностей, запасы, возможности. Подмножеством этой категории являются энергетические ресурсы.
Энергоресурсы - это средства, сутью которых является их энергосодержание, а целью использования - извлечение и потребление содержащейся в них энергии для реализации производственных процессов и удовлетворения различных потребностей.

Субстанция, содержащая энергию, называется энергоносителем, важной характеристикой которого является плотность содержащейся в нем энергии (например, удельная теплота сгорания).
В понятие энергоресурсов входят также источники, их доступность и степень освоения. От этих характеристик зависит объем энергоресурсов, предназначенный для практического применения.
Природные (первичные) ресурсы - компоненты окружающей среды, используемые в процессе общественного производства. Их совокупность можно разделить на энергоресурсы и неэнергетические ресурсы.

Солнечная энергия, энергия приливов и отливов и геотермальная энергия являются чисто энергетическими ресурсами. Земельные, растительные ресурсы и ресурсы животного мира отнесем к неэнергетическим ресурсам. И наконец, водные, воздушные и минеральные ресурсы можно считать комбинированными: они используются как в процессах, осуществляемых в энергетике, так и по другому назначению (воздух дает кислород для топливной энергетики, но также является основой аэробной жизнедеятельности).

Любопытными представляются данные о запасах первичных источников энергии (в джоулях) на Земле:
-ядерная энергия деления - 1,97·1024;
-химическая энергия горючих веществ - 1,98·1023;
-внутренняя теплота Земли - 4,82·1020;
-энергия приливов - 2,52·1023;
-энергия ветра - 6,12·1021;
-энергия рек - 6,5·1019.

Сравнение приведенных данных свидетельствует о больших потенциальных запасах природных источников энергии. При этом ядерная энергия и химическая энергия горючих веществ - невозобновляемые источники, в то время как возобновление энергии приливов и ветра обеспечивает нам природа.
Кроме природных в состав понятия ресурсы входят экономические ресурсы, которые включают в себя трудовые ресурсы (характеризуются как численностью, так и интеллектуальным потенциалом и технологической подготовленностью) и материальные ресурсы- промежуточные или конечные продукты цепи процессов переработки природного сырья – (топливо, получаемое из нефти, товарный уголь и газ, а также тепловые отходы производственных процессов - отработанный пар, горячие газы).

Для полноты картины отметим, что источники энергии разделяют на коммерческие и некоммерческие.
Коммерческие источники включают в себя твердые (уголь, торф, сланцы), жидкие (нефть, газовый конденсат), газообразные (природный газ) виды топлива и электроэнергию, произведенную на электростанциях всех типов.
Некоммерческие источники энергии - древесное топливо, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила человека и рабочего скота.
В будущем человечество перейдет к преобладающему использованию возобновляемых источников энергии. К числу перспективных источников энергии для транспорта в отдаленном будущем относятся внутренняя теплота Земли, движение вод в реках и морях, ядерная энергия. Из этих источников можно получить энергию в форме, пригодной для непосредственного использования, например, электричество, водород.

Перечислим основные преобразователи энергии.
Это прежде всего двигатели внутреннего сгорания (ДВС). На автомобильные ДВС приходится около 25% общего количества потребляемой энергии и около 60% общего количества всех видов загрязнений воздуха. Достигнутый КПД карбюраторных ДВС 28-30%, дизельных - 32-45%.
Газотурбинные установки. Воздух сжимается в компрессоре, смешивается с топливом, и смесь воспламеняется. Отработавшие газы проходят через турбину. Ее первая ступень приводит в действие компрессор. Последующие ступени вырабатывают механическую энергию, используемую потребителем. КПД газотурбинных установок 31-37%.

Холодильные машины. Работа холодильной машины связана с изменением агрегатного состояния хладагента: плавлением или испарением жидкости вблизи холодного источника и обратным процессом вблизи горячего приемника.
Магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы). Их действие основано на явлении электромагнитной индукции при движении ионизированного рабочего тела (газ, плазма) в магнитном поле. В одной из возможных схем МГД генератора воздух, сжатый в компрессоре, подается в камеру сгорания. Продукты сгорания из камеры попадают в разгонное сопло. По выходе из него газ попадает в МГД-канал, в котором происходит отвод генерируемой электрической энергии. КПД преобразования энергии составляет 32-38%.

Одной из существенных особенностей электроэнергетики является неравномерность потребления в течение суток. В связи с этим выступает на передний план решение проблемы аккумулирования энергии. Кроме того, предоставление автомобильному транспорту малогабаритного и легкого аккумулятора большой емкости с высоким КПД способствовало бы применению электромобилей, значительному снижению загрязнения воздуха и потребности в нефтяном топливе.
Примером аккумулирования энергии на электростанциях может служить гидроаккумулирующая станция (ГАЭС), возведенная в США. Ее мощность 1872 МВт. Принцип запасания энергии следующий. В период снижения потребления энергии ее излишек используется для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Электрическая энергия превращается в потенциальную механическую. В период повышенного спроса осуществляется перепуск воды в нижний резервуар, и турбогенераторы направляют энергию потребителю. В США на долю ГАЭС приходится 2% всей вырабатываемой электроэнергии страны.

Для автомобильного транспорта удобен способ аккумулирования энергии с помощью маховиков. Маховик раскручивается до высокой скорости и в нужный момент используется для выведения двигателя из зон работы с низким КПД при движении с частыми остановками и разгоном. Этот способ аккумулирования энергии имеет ряд достоинств: высокий КПД (до 90%), бесшумность, отсутствие загрязнений и быстрота зарядки, возможность рекуперативного торможения.

Что касается электрохимических аккумуляторов, то при их зарядке электрическая энергия преобразуется в химическую, а при разрядке происходит обратный процесс. Основным недостатком существующих аккумуляторов является низкое значение удельной (на 1 кг массы аккумулятора) запасаемой энергии. Свинцово- кислотный аккумулятор обладает удельной энергией немногим более 100 кДж/кг, дорогостоящий серебряно-кадмиевый - около 400 кДж/кг. Поэтому автотранспортные средства с электрохимическими источниками энергии находят пока ограниченное применение.

Учебный вопрос №1.4
ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ

Транспорт - существенный фактор экономического и социального развития, однако он является, с одной стороны, весьма энергоемкой отраслью, требующей значительных людских и материальных ресурсов, а с другой стороны - одним из основных источников загрязнения среды обитания.
Целенаправленное взаимодействие множества объектов транспорта обусловлено функционированием пяти подсистем :
1)Транспортное пространство - носитель энергоемкого транспортного производства.
В физической среде пространства (воздух, вода, земля, космос) переносятся газы, распространяются звуковые, электромагнитные и сейсмические волны. Через границы транспортного пространства происходит энергообмен с окружающей средой. Топология транспортного пространства существенно влияет на энергетику транспорта и движение транспортных потоков.
К наиболее важным факторам, определяющим энергозатраты на перевозки, можно отнести энергетические показатели транспортных средств и энергозатраты на проводку транспортных потоков.

2)Транспортная техника - механизмы, машины, сооружения - наиболее затратная подсистема.
3)Персонал занят трудовой деятельностью. Создание ему рабочих условий сопряжено с энергозатратами.
4)Объекты перевозок - пассажиры и грузы. Обеспечение комфорта пассажирам и обеспечение сохранности грузов требует энергозатрат.
5)Системы управления - совокупности элементов, осуществляющих управление процессами и информационное взаимодействие с инфраструктурой.

Процесс перевозки состоит из совокупности различающихся по энергоемкости операций: складирования, накопления, комплектации, погрузки, транспортирования, разгрузки и др. Рассмотрим вопрос оценки энергозатрат на осуществление определенного процесса - транспортирования, эффективность которого зависит в первую очередь от характеристик транспортного средства (ТС).

К основным характеристикам, определяющим эффективность транспортного средства, относятся производительность и экономичность.
Часовая производительность ТС
Пт = vр m,
где vр - рейсовая скорость движения ТС, км/ч; m - масса груза, т.
Экономичность ТС характеризуется параметром
gт =Gm / m,
где Gm - часовой расход топлива, кг/ч.
В таблице 1.2 приведены данные по производительности и экономичности различных видов транспорта.

Разброс параметров вызван тем, что энергозатраты единичного транспортного средства зависят не только от его свойств, но и от наличия помех и определенной организации движения. Кроме того, имеет место и человеческий фактор - умение водителя управлять соответствующим ТС в оптимальном режиме в разных ситуациях.

Энергозатраты транспортного потока складываются из затрат единичных ТС.
Энергозатраты, связанные с движением множества ТС по сети, представляют собой сумму затрат потоков, движущихся по элементам транспортной сети: магистралям и развязкам (станциям).
С точки зрения эффективности движения потоков и энергозатрат основой для транспортной сети являются ее топологические свойства и организация движения. Топологичекие свойства по-разному влияют на эффективность транспортной сети. Например, для мегаполиса нужна ячеистая сеть, а для транспортного коридора - древовидная структура.

Эффективность реализации энергии существенно отражается на эффективности перевозок. А если учесть, что по прогнозам в России грузооборот по всем видам транспорта к 2020 году удвоится по сравнению с 2000 годом, соответственно потребление моторного топлива и электроэнергии также возрастет (примерно в 1,5 раза), то становится понятной актуальность задач дальнейшего развития теоретических основ организации сгорания жидкого и газообразного топлива в традиционных двигателях, развития водородной энергетики, разработки альтернативных видов моторного топлива, совершенствования методов снижения уровня загрязнения окружающей среды.

Основными практическими задачами транспортной энергетики являются следующие:
- совершенствование традиционных и развитие новых видов транспорта;
- развитие дорожной сети и оптимизация управления транспортными потоками;
- снижение издержек на топливно-энергетическую составляющую транспортного процесса (сюда входят методы совершенствования конструкций машин, поддержание технического состояния подвижного состава и дорог на высоком уровне, оптимально управление транспортным средством и снижение энергозатрат погрузочно-разгрузочных работ, влияющих на энергоемкость всего транспортного комплекса, организационно-управленческие методы, связанные с исследованием организации движения на энергозатраты перевозок);
- применение энергосберегающих технологий как способа защиты окружающей среды (обеспечение экологической безопасности моторных топлив, контроль их качества и расходования).

Для обеспечения устойчивого развития цивилизации необходимо строго придерживаться следующих принципов, связанных с потреблением ресурсов:
- темпы потребления возобновляемых ресурсов (почва, вода, древесина, биоресурсы) не должны превышать темпов их регенерации;
- темпы потребления не возобновляемых ресурсов не должны превышать темпов их замены возобновляемыми или неисчерпаемыми ресурсами;
- интенсивность выбросов загрязняющих веществ не должна превышать темпов, с которыми эти вещества перерабатываются, поглощаются или теряют вредные для среды обитания свойства.