Эффективны ли современные виды получения энергии? Каковы альтернативы развития?

Эффективны ли современные  виды получения энергии? Каковы альтернативы развития? Альтернативное топливо.

 

Что мы имеем на настоящий  момент:

1. Истощение природных ресурсов Земли
2. Выброс громадного количества вредных веществ в атмосферу, что порождает множество болезней, увеличение углекислого газа в процентном соотношении, что приводит к усилению парникового эффекта ( эта закономерность ещё до конца не доказана, но проблема актуальна)

Основные проблемы:

1. Экологическая
2. Эффективности применения
3. Массовости ( цена )

Наиболее большее распространение  на данный момент имеют двигатели  внутреннего сгорания. Они варьируются  в зависимости от мощности, размера, показателей расхода топлива, типа топлива, области применения. На каждый год приходится от 20ти до 50ти патентов улучшенных версий двигателя внутреннего сгорания, но принципиально новые модели появляются крайне редко.

Поршневые двигатели — камера сгорания содержится в цилиндре, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

ДВС классифицируют:

а) По назначению — делятся на транспортные, стационарные и специальные.

б) По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).

в) По способу образования горючей  смеси — внешнее (карбюратор) и внутреннее (в цилиндре ДВС).

г) По способу воспламенения (с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные).

д) По расположению цилиндров разделяют  рядные, вертикальные, оппозитные с  одним и с двумя коленвалами, V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, VR-образные и W-образные, однорядные и двухрядные звездообразные, Н-образные, двухрядные с параллельными коленвалами, "двойной веер", ромбовидные, трехлучевые и некоторые другие.

  

Т. к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для  двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование  более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Дизельные двигатели являются менее  быстроходными и характеризуются  большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

 

КПД современных ДВС ограниченно ввиду того, что они тепловые. Согласно формуле Карно, вот она η_t = 1 – (T₂/T₁),     выше определённого КПД подняться нельзя ввиду того что невозможно бесконечно увеличивать температуру нагревания топлива.

Где η_t — максимальный коэффициент полезного действия 

T1 и T2 – температуры на входе и на выходе

 

Альтернативные  двигатели:

Питер Хоффбраун:  

традиционном двухтактном  двигателе оба окна для газообмена перекрывает один поршень, а в двигателях с встречными поршнями в зоне хода одного поршня располагается впускное окно, в зоне хода второго – выпускное. Такая конструкция позволяет раньше открывать выпускное окно и благодаря этому лучше очищать камеру сгорания от отработавших газов. И заранее закрывать, чтобы сберечь некоторое количество рабочей смеси, которое у двухтактного двигателя обычно выбрасывается в выхлопную трубу.

Кармело Скудери:

Вот как этот мотор работает. В  первом цилиндре поршень сжимает  воздух и подает его в соединительный канал. Клапан открывается, форсунка впрыскивает  топливо, и смесь под давлением  врывается во второй цилиндр. Сгорание в нем начинается при движении поршня вниз. Таким образом, сгорающая смесь не препятствует в начальной стадии горения движущему навстречу поршню, а, наоборот, подталкивает его. Создатель мотора обещает удельную мощность в 135 л.с. с литра рабочего объема. Причем при значительном сокращении вредных выбросов благодаря более эффективному сгоранию смеси – например, с уменьшением выхода NOx на 80% в сравнении с этим же показателем для традиционного ДВС. Заодно утверждают, что SCC на 25% экономичнее равных по мощности атмосферных моторов. Однако лишний цилиндр – это дополнительная масса, увеличение габаритов, возрастающие потери на трение.

Кстати, для этого двигателя  придумана оригинальная схема рекуперации  и наддува «в одном флаконе» под  названием Air-Hybrid. Во время торможения двигателем цилиндр рабочего хода отключается (клапаны закрыты), а цилиндр сжатия наполняет специальный резервуар сжатым воздухом. При разгоне происходит обратное: не работает цилиндр сжатия, а в рабочий нагнетается запасенный воздух – своего рода наддув. Собственно, при такой схеме не исключается и полный пневморежим, когда воздух будет толкать поршни в одиночку.

Герберт Хюттлин:

Среди необычных ДВС мотор Герберта Хюттлина выделяется наиболее примечательной конструкцией: традиционные поршни и камеры сгорания здесь размещены внутри шара. Поршни движутся в нескольких направлениях. Во-первых, навстречу друг другу, образуя между собой камеры сгорания. Кроме того, они соединены попарно в блоки, посаженные на единую ось и вращающиеся по хитрой траектории, заданной кольцевой фигурной шайбой. Корпус поршневых блоков объединен с шестерней, передающей крутящий момент на выходной вал.

Его мощность при таком объеме будет составлять 100 лошадиных сил при частоте  вращения 3000 оборотов в минуту. Крутящий момент на этих оборотах будет равен 290 нм. Доктор Хюттлин ожидает, что эффективность сферического двигателя может быть увеличена еще на 40 процентов благодаря использованию специальных материалов, уменьшающих трение, и оптимизации режимов горения топлива. Опытный образец двигателя весит 62 кг и состоит из 62 деталей, в то время как обычные двигатели состоят, по крайней мере, из 240 деталей.

В данном случае хорошей  заменой металлу в двигателях ( в основном аллюминий) может служить керамика из-за её термоустойчивости. Электрический двигатель - НЕ тепловой. Значит, ограничение, накладываемое формулой Карно, для него не действует. И кпд хорошего электродвигателя может реально доходить до 90-95%. То есть до величины, НЕДОСТИЖИМОЙ для тепловых двигателей.

Роторно-лопастной:

 
Вкратце о его устройстве. На оси  установлены два ротора с парой  лопастей на каждом, образующих камеры сгорания переменной величины. Роторы вращаются в одном направлении, но с разными скоростями – один догоняет другой, смесь между лопастями  сжимается, проскакивает искра. Второй начинает движение по окружности, чтобы  на следующем круге «подтолкнуть»  соседа. Посмотрите на рисунок: в правой нижней четверти происходит впуск, в правой верхней – сжатие, затем против часовой стрелки – рабочий ход и выпуск. Воспламенение смеси осуществляется в верхней точке окружности. Таким образом, за один оборот ротор происходит четыре рабочих такта. 

Электродвигатели:

Большинство моделей  на рынке имеют скромный запас  хода от 60 до 150 километров, и это  при «оптимальном режиме», когда  энергия расходуется только на движение. Если включить кондиционер или печку, это расстояние сократится в два-три  раза. Добавьте сюда длительную перезарядку  и периодическую замену дорогостоящих  батарей. Переносчиками энергии являются катионы лития. 

Плюсы:

КПД значительно  выше. Возможность повышения до 90%.

Минусы:

Долгая перезарядка. Малая ёмкость аккумулятора.

И все же чаще всего  мы сталкиваемся с запасенной энергией в виде аккумуляторов на основе лития. Недавно ученые Стэнфордского университета заявили, что им удалось создать литий-серную батарею, допускающую более тысячи циклов перезарядки. Но почему это так важно? Для аккумуляторов существует понятие плотности энергии – нельзя запасти больше энергии, чем это возможно при заданном весе. Этот теоретический предел для популярных сегодня литий-ионных аккумуляторов относительно невысок и может быть достигнут в ближайшем будущем, но литий-серные вследствие иных электрохимических свойств могут запасать в два-три раза больше энергии! Как водится, у них есть проблема – в процессе химической реакции в литий-серных аккумуляторах возникают промежуточные вещества – полисульфиды, которые ухудшают характеристики батареи и приводят к быстрому падению ее емкости.  
 
Эту проблему и решала научная группа из Стэнфорда. Предложенное решение – ввести в электролит комплексные наночастицы, которые «запирают» полисульфиды на электроде. В итоге эти вещества продолжают полноценно участвовать в химических процессах, происходящих внутри батареи. Тесты продемонстрировали невысокую потерю емкости даже после тысячи циклов перезарядки. 

Группа из Технологического института Карлсруэ создает фторидные аккумуляторы, которые потенциально способны хранить в два с половиной раза больше энергии, чем литий-серные, и в шесть раз больше, чем литий-ионные. Переносчиками заряда в таких батареях являются не катионы лития, а анионы фтора. Текущие прототипы работают при высоких температурах, и в данный момент ученые ищут способ снизить температуру работы до комнатной. 

Торий:

Каждый год  расходуется: 5 млрд т. угля, 31 млрд тонн бензина, 5000 млрд кубометров природного газа, 65 тонн урана.

По расчётам 5 тысяч тонн тория может снабжать планету всей необходимой энергией на протяжении года. Что же касается автомобилей, 8 грамм тория должно хватать более чем на 480 тыс километров, то есть автомобиль может ездить без подзарядки вплоть до истечения срока эксплуатации без заправки. В мире содержится более 2,8 исследованных тонн тория, так что эта технология является оычень перспективной.

На данный момент разработками двигателя занимается компания LaserPowerSystems. Предполагается, что в нём будет использоваться технология турбины Тесла.  На сайте разработчиков представлен только дизайн ротора и различные позитивистские высказывания насчёт использования тория в энергетике будущего. 

В США, Индии и Китае  в последние годы рассматривается  вариант, впервые предложенный американским физиком Элвином Вайнбергом еще в 60-х годах. В этом реакторе типа LFTR (Liquid Fluoride Thorium Reactor) предлагается отойти от применения твердых топливных элементов и использовать в качестве теплоносителя расплавы солей — фторидов, в которых хорошо растворяются оксиды тория и урана. В таком реакторе рабочее давление составляет всего около 0.1 атм, что практически исключает возможность аварии вследствие разрыва корпуса (конечно, при условии, что его материал не поддастся коррозии). Солевой расплав имеет температуру около 540 градусов, что дает возможность использовать все преимущества высокотемпературного реактора. При этом система обладает способностью к саморегуляции. Если расплав перегревается, он расширяется в объеме, в результате в поле действия источника нейтронов (топливный элемент из плутония или урана-235) попадает меньше атомов тория, и реакция замедляется. При охлаждении смесь, соответственно, сжимается, что позволяет ускорить реакцию.

Космический потенциал:

 

Устройство ионно плазменного двигателя

Принцип действия плазменного двигателя состоит в том, что рабочим телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.

Источником ионов служит газ, как правило это аргон или водород, бак с газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации, получается холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и выбрасывается в окружающую среду. Таки образом достигается тяга.

С тех пор плазменные двигатели прошли большой путь и разделились на несколько основных типов, это электротермические двигатели, электростатические двигатели, сильноточные или магнитодинамические двигатели и импульсные двигатели.

В свою очередь электростатические двигатели делятся на ионные и плазменные (ускорители частиц на квазинейтральной плазме).

Положительные ионы притягиваются  к системе извлечения, состоящей  из 2 или 3 сеток. Между сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов (+1090 вольт на внутренней против — 225 на внешней). В результате попадания ионов между сетками, они разгоняются и выбрасываются в пространство, ускоряя корабль, согласно третьему закону Ньютона. Электроны, пойманные в катодную трубку выбрасываются из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов.

Что же представляет собой  ядерный ракетный двигатель? Многие его системы устроены так же, как  у жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Только температура рабочего тела, истекающего из сопла и создающего тягу, повышается не за счет реакции  окисления (горения) двух компонентов, а за счет тепловой энергии, выделяющейся в процессе деления ядер радиоактивного вещества. Вместо камеры сгорания, как  у ЖРД, в ядерном двигателе  размещен реактор, способный нагреть  газ более чем до 3000 К. Эта температура  ограничивается стойкостью применяемых  материалов.

Но почему ЯРД в несколько  раз эффективнее ЖРД? Ведь он гораздо  сложнее, имеет во много раз большую  массу, нуждается в специальных  системах защиты и безопасности, громоздок. Дело в том, что в реакторе можно  разогревать любой газ, а энергетическая эффективность ракетного двигателя  тем выше, чем это рабочее тело имеет меньшую молекулярную массу. Вот и получается, что если в  ЯРД применить водород, то скорость истечения его из сопла будет  в 3 раза выше, чем в лучшем - кислородно-водородном ЖРД. Все потому, что молекулярная масса в первом случае - 2 г/моль, а  во втором - 18. Значит, для космического полета потребуется существенно  меньше рабочего тела.

 

Вывод: поскольку некий  предел для ДВС достигнут, есть основания полагать что человечество неминуемо придёт к экологически чистой, энергоёмкой, мощной генерации энергии.