Энергия наветер: индустрия
Топливные неприятности будущего обычно принимают форму обманчиво несложной дискуссии — или необходимо создавать больше энергии, или меньше ее потреблять. Наряду с этим игнорируется фундаментальный термодинамический постулат, зная что, вы ни при каких обстоятельствах не заплатите денег изобретателю вечного двигателя. В ходе превращения горючего в работу нереально взять все 100% запасенной энергии.
на данный момент мы преобразуем энергию из одного вида в второй с огромными утратами, не приближаясь к теоретическим пределам КПД.
Так и в отечественном организме: питающая нас энергия изначально поступила от Солнца и благодаря фотосинтезу была законсервирована в виде химических связей, причем пища содержит в сто раза больше энергии на единицу массы, чем литиевая батарея. Это значит, что среднему человеку удается без неприятностей запастись таким количеством энергии, какой содержится в тонне аккумуляторная батарей.
Но процесс преобразования этих химических связей в сокращение отечественных мускулов сопровождается растратой огромной доли энергии, и только небольшой ее остаток употребляется конкретно для перемещения. Проклятие неэффективного энергопреобразования преследует и всю технику, от микрочипов до электростанций и огромных заводов. Процессор ноутбука выделяет тепло, которое приходится рассеивать посредством вентилятора и радиаторов.
Приблизительно 7% энергии, произведенной на электростанции, теряется, пока она дойдет до вашего дома по проводам электросети. Но, главные препятствия, стоящие на пути к действенному преобразованию энергии, имеют отнюдь не технический темперамент. Это неприятность осознания: лозунг «Приблизим работу отечественных двигателей к циклу Карно, не нарушая второго закона термодинамики!» вряд ли будет для широкой публики более привлекательным, чем «Даешь новые скважины!».
Итак, на данный момент на повестке дня — перестройка взоров на эту проблему. Очевидно, никто не отказывается от разработки новых энергетических ресурсов, но да и то, что мы уже имеем, прекрасно было бы применять с полной отдачей. Новые разработки для этого дешёвы уже на данный момент.
Утраты энергии. Вибрации
В любом устройстве — будь это мост, ботинок либо компьютерная клавиатура — при исполнении главных функциональных перемещений все время порождается целый шлейф из небольшого шевеления, на которое впустую расходуется энергия.
Как избежать утрат
Пьезоэлектрики
3 мкВт на каждое устройство
В ноябре 2010 года в Технологическом университете штата Джорджия был выстроен наногенератор, пригодный для электропитания портативной электроаппаратуры.
Генератор является массивом нанопроводов из оксида цинка, владеющих пьезоэлектрическими особенностями. Это значит, что они способны производить электричество, в то время, когда к ним прилагается какое-либо деформирующее упрочнение.
Было предложено применять такие наногенераторы для утилизации энергии от вибраций дорожного полотна, в то время, когда по нему проходят машины. Так возможно обеспечить энергопитание для датчиков, отслеживающих состояние мостов.
В Принстонском университете создали «пьезорезину», которая, быть может, понадобится для электропитания имплантированных кардиостимуляторов и разрешит забыть о замене в них батареек. В Технологическом университете штата Луизиана был кроме того сконструирован пьезоэлектрический генератор, вмонтированный в каблук ботинка.
Все эти виброгенераторы производят ничтожные количества энергии, но они быстро дешевеют, так что их возможно встраивать куда угодно.
Утраты энергии. Дела компьютерные
Те же энергопотери, от которых греется отечественный ноутбук, смогут воображать значительную проблему при работе больших центров и суперкомпьютеров обработки данных.
Как избежать утрат
Пироэлектрики
8 Вт на любой чип
Микросхемы современных компьютеров всегда сталкиваются с двумя взаимосвязанными проблемами — они потребляют через чур много энергии, и через чур много энергии при их работе уходит в тепло. Уже на данный момент на энергопитание коммерческих баз данных и информцентров расходуется $30 млрд в год. Задача нового пироэлектрического устройства, созданного в Национальной лаборатории министерства энергетики в Оук-Ридже, — преобразовывать избыточное тепло в электричество.
Пироэлектрики (не путать с обширно распространенными термоэлектриками) при трансформации температуры выдают маленькое напряжение.
Устройство представляет собой маленький рычажок, колеблющийся между нагретой пироэлектрическим теплоотводом и микросхемой, так что при каждом цикле от микросхемы отводится порция тепла, а на выходе образуется порция электричества. Одиночный рычажок выдает всего лишь от 1 до 10 милливатт энергии, но на 1 см? возможно разместить свыше сотни таких рычажков.
Как утверждает Скотт Хантер, исследователь из Оук-Ридж, это решение было бы совершенным для громадных центров обработки данных и суперкомпьютеров петафлоповой производительности (1015 операций с плавающей запятой в секунду).
Утраты энергии. Ходьба Пешком
Из энергии, которая нужна чтобы мы перемещались по улице, для поступательного перемещения употребляется меньше половины.
Как избежать утрат
Биомеханические генераторы
20 Вт на человека
Прогулка по улице сопряжена с большим перерасходом энергии, так что представьте себе, сколько энергии теряется впустую, в то время, когда мимо вас марширует рота пехотинцев. Вот из-за чего как раз армейские будут первыми потребителями биомеханических генераторов — таких, как PowerWalk M-Series компании Bionic Power.
Это браслет-наколенник весом приблизительно 700 г, созданный в Лаборатории перемещения канадского Университета Саймона Фрезера в Ванкувере. При самой простой ходьбе мелкий генератор разрешает производить мощность до 12 Вт. Браслет утилизирует лишь ту энергию, которая расходуется «впустую» — к примеру, на торможение ноги, и сейчас браслет-генератор не мешает обладателю, а кроме того мало оказывает помощь.
Испытания продемонстрировали, что пешеход с таким браслетом не расходует ни одного лишнего ватта. Подобный же принцип заложен в конструкцию портфеля, подвешенного на пружинах, что создан в Пенсильванском университете. За счет регулярных рывков вверх-вниз при ходьбе он производит около 20 Вт (данный показатель может изменяться и зависит от массы портфеля: чем она больше, тем выше будет мощность).
Дабы оценить масштаб вашей пользы, имейте в виду, что 3 Вт будет достаточно для стремительной зарядки сотового телефона либо для питания радиомаячка и фонарика.
Утраты энергии. Преобразователи электричества
Правила, на которых выстроена отечественная электрическая сеть, подразумевают, что для работы многих аппаратов требуется преобразовать переменный ток в постоянный. Наряду с этим большая часть энергии теряется впустую.
Как избежать утрат
Диоды на нитриде галлия
100 Вт на человека
Втыкая в стенную розетку вилку от сотового телефона, ноутбука, телевизора либо какого-либо другого электронного устройства, вы забираете из сети переменный ток и преобразуете его в постоянный, что нужен для большинства электронных устройств.
Обратный процесс происходит, в то время, когда постоянный ток от солнечных батарей либо ветряков необходимо преобразовывать в переменный для закачки в неспециализированную электрическая сеть.
«Все эти преобразователи некую долю энергии, от 10 до 12%, расходуют впустую», — говорит Умеш Мишра, генеральный директор и один из основателей компании Transphorm, стартапа, поддержанного Гугл.
Мишра уверен в том, что эту проблему возможно решить, в случае если полупроводниковые элементы, применяемые в таких преобразователях, изготавливать не из кремния, а из нитрида галлия. Такие диоды смогут действующий при более высоких напряжениях, чем кремниевые, и, забрав их за базу, возможно будет существенно снизить энергопотери на каждом этапе преобразования.
на данный момент преобразователи компании Transphorm предполагается применять в широкомасштабных базах данных, но в будущем, как вычисляет Мишра, такие блоки возможно будет встраивать фактически в любой электронный прибор.
Утраты энергии. Езда на машине
Из энергии, которая содержится в горючем, большинство, еще не дойдя до колес, расходуется на трение во множестве внутренних узлов.
Как избежать утрат
Термоэлектрика
350 Вт на автомобиль
Лишь 20% энергии, содержащейся в бензине, реально расходуется на передвижение вашего автомобиля. Другая часть исчезает в виде тепла, которое выделяется в двигателе и элементах трансмиссии, и выбрасывается в выхлопную трубу. Компании GM, Ford и BMW испытывают на данный момент прототипы термоэлектрических совокупностей, производящих электричество за счет температурного градиента в зоне системы и выхлопа охлаждения.
Внедрение таковой совокупности сулит экономию горючего в масштабе до 5%. Для этого осталось решить основную проблему, которая пребывает в том, дабы подобрать таковой термоэлектрический материал, что имел бы высокий КПД и наряду с этим отличался выносливостью, разрешающей десятилетиями выдерживать несладкие условия дорожной эксплуатации.
«В том месте, под капотом, воздух, не через чур благоприятная для работы», — признает Джон Кукер, гендиректор и президент детройтской компании Amerigon, которая создала по заказу компаний BMW и Ford прототип на базе циркония и гафния.
В ближайшее время, как вычисляет Кукер, самым многообещающим направлением в термоэлектрике были бы охлаждения и системы обогрева для машин с электрическим либо гибридным приводом. Кстати, термоэлектрические сиденья компании Amerigon уже ставятся на 55 моделях машин.
Утраты энергии. Работа двигателя
Многие электромоторы сконструированы так, что смогут трудиться лишь на полную мощность независимо от того, нужна ли сейчас такая энергоотдача.
Как избежать утрат
Привод с переменной скоростью
100 кВт на любой мотор
В мире приблизительно 300 млн промышленных электродвигателей. Практически все они систематично трудятся в полную нагрузку, а для регулировки энергоотдачи употребляются те либо иные механические компенсаторы. Это как в случае если ехать на машине, вжав педаль газа до пола, и регулировать скорость при помощи тормоза.
Действительно, на данный момент все большее распространение приобретают электромоторы переменной скорости с компьютерным управлением. Как растолковывает Марк Кенион из компании ABB, они в реальном времени выдают ровно ту мощность, которая от них требуется. Для этого совокупность управления подает на них ток частоты и нужного напряжения.
В следствии мы можем в два раза снизить электропотребление.
Поставив на промышленные электромоторы подобные системы управления скоростью, возможно, как вычисляет компания АВВ, сэкономить столько энергии, сколько выдают более 250 ядерных реакторов. Нужные для этого капиталовложения за счет экономии должны окупиться в течение 1−3 лет.
В строении Hearst Tower, где расположен главный офис издания Popular Mechanics, приводы лифтов и совокупности кондиционирования воздуха имеют моторы с регуляторами скорости.
Утраты энергии. Тепло выброса
Промышленное оборудование среднего масштаба создаёт в совокупности немыслимые количества тепловой энергии, которую весьма тяжело утилизировать.
Как избежать утрат
Машина на побочном тепле
250 кВт на каждую машину
В мире довольно много малых предприятий со двигателями и скромными печами, где количества отходящего тепла не так громадны, дабы задействовать полноценную турбину.
Флоридская компания Cyclone Power создала универсальную машину по утилизации отходящего тепла. Ее возможно подключить к выбросу практически любой промышленной установки, применяя носители с температурой от 300 до 500 °C. Таковой температуры в полной мере хватит для питания возвратно-поступательных перемещений поршня в генераторе, выстроенном по циклу Ренкина.
«Мы ориентируемся на энергетические масштабы от 5 до 500 кВт», — говорит глава фирмы Крис Нельсон. Один из первых примеров применения данной идеи — мобильная установка, снабжающая охлаждение и производящая дополнительную энергию в дальнобойных грузовиках. В следствии удается экономить 5−10% горючего.
По оценкам компании, лишь в Соединенных Штатах имеется 10000 промышленных установок, каковые возможно дополнить их машиной. Такие меры разрешили бы экономить 13,5 млрд киловатт-часов энергии в год.
Утраты энергии. Разложение отходов
Мусор, разлагаясь, испускает в воздух «мусорный воздушное пространство», а данный газ и очень сильно загрязняет воздух, и есть носителем больших количеств энергии.
Как избежать утрат
Преобразование газа в энергию на мусорных полигонах
7,9 МВт с каждого полигона
Пищевые продукты являются концентратом с высоким содержанием энергии. Одна плиточка мюсли содержит в себе столько же энергии, сколько возможно закачать в шестикилограммовую литиевую батарею. На мусорных свалках вся эта органика неспешно гниет, выделяя часть запасенной энергии в виде газа.
В большинстве случаев половину его образовывает метан, что возможно улавливать, очищать и сжигать, приобретая в следствии тепло и электричество.
Чтобы запустить в воздействие собственную когенерационную установку EcoLine мощностью 7,9 милионов ватт, Университет Нью-Хемпшира должен был выстроить собственный газоочистительный завод для обогащения газа, исходящего от находящегося по соседству мусорного полигона.
Это предприятие удаляет из газа двуокись углерода и такие вредные примеси, как соединения серы и кое-какие нежелательные летучие органические соединения. В Соединенных Штатах на данный момент насчитывается 558 предприятий по преобразованию в энергию того газа, что собирают на 2400 мусорных полигонах. Управление по охране внешней среды распознало еще 510 очень перспективных участков, на которых газодобыча еще не начата.
Это направление энергетики способно производить 7000 ГВт ч электричества в год, чего достаточно для обеспечения энергией 690 000 жилых домов.
Утраты энергии. Управление электрическими сетями
Вырабатывается электричество стабильно и неизменно, а потребляется по-различному в зависимости от времени дней. В следствии складывается обстановка, в то время, когда ночью энергию девать легко некуда.
Как избежать утрат
Совокупности накопления энергии
20 МВт на каждую совокупность
Представьте себе ветряк, что отчаянно крутится среди ночи. Хоть кто-нибудь потребляет сейчас его энергию? Очевидно, нет.
Из-за провалов выработки и постоянства энергии в ее потреблении ночью энергия поставляется по значительно более низким стоимостям, чем днем.
Прекрасно было бы как-то распределять потребление во времени, а для этого необходимы средства временного хранения энергии. И дело не сводится к одной лишь «ночи и проблеме дня» — энергетические компании теряют около 1% собственных энергозапасов, сглаживая потребления энергии и поминутные флуктуации производства.
Этих утрат возможно было бы избежать, если бы нашелся метод временного хранения в сети излишней энергии. В июне предприятие по временному хранению электричества компании Beacon Power, выстроенное в Стефентоне, штат Нью-Йорк, в первый раз вышло на проектную мощность в 20 МВт.
Для накопления энергии употребляется 200 массивных маховиков на магнитной подвеске, раскрученных до в 16 000 об/мин. В Испании эта неприятность решена в противном случае. На солнечной электростанции Gemasolar электричество выдается весь день, а избыток энергии
накапливается в баках с соляным расплавом.
Имеется и другие идеи: огромные химические аккумуляторная батареи, баллоны со сжатым воздухом либо водохранилища, куда воду закачивают насосами.
Утраты энергии. Передача электричества
Бронзовый провод, в далеком прошлом уже вышедший из моды, до сих пор остается базой всей отечественной энергетической инфраструктуры. Иначе, он же есть основной обстоятельством энергопотерь.
Как избежать утрат
Сверхпроводниковый кабель
50 МВт на каждую электростанцию
При передаче электричества по проводам впустую исчезает приблизительно 7% выработанного электричества. «Транспортные пробки», случающиеся в электросети, отливаются нам каждый год многомиллиардными убытками.
Сверхпроводниковый криогенный кабель способен пропустить через себя в сто раза больше энергии, чем подобная жила из несложной меди, причем утраты наряду с этим будут фактически нулевыми.
Проблема заключается в том, что опасающиеся риска электросбытовые компании не торопятся делать ставку на дорогостоящие, незнакомые, принципиально новые разработки. Таково, по крайней мере, вывод Джека Макколла, заведующего отделом передачи энергии в компании American Superconductor.
В 2008 году эта компания смонтировала на Лонг-Айленде маленькую демонстрационную сверхпроводящую линию, но Макколл сохраняет надежду, что в случае если сверхпроводящими кабелями соединить между собой три главные общенациональные электросети (это запланировано сделать в 2014 году на установке SuperStation Tres Amigas в Нью-Мексико), то новая разработка сразу же возьмёт признание.
Тем временем в Южной Китай и Корея трудятся с новыми проектами сверхпроводящих линий, каковые обещают довести цену на сверхпроводники до более конкурентного уровня в сравнении с несложной медью.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№112, февраль 2012).
<
h4>