Энергетические технологии

Энергетические технологии – наука об энергетике, область технических наук, комплекс технологий, используемых в процессе получения, передачи и использования видов энергии и энергетических ресурсов.

Наука об энергетике изучает законы и методы преобразования потенциальной энергии природных энергетических ресурсов в виды энергии, используемые в деятельности человека, создание новых и совершенствование существующих средств преобразования. В более узком смысле эта наука, основываясь на системном методе исследований, изучает закономерности, объективные тенденции и оптимальные пропорции развития энергетики как единого целого; формирует концепцию оптимального управления энергетикой; изучает комплексные проблемы энергетики, включая её влияние на окружающую среду, проблемы развития научно-технического прогресса в энергетике.

Энергетические технологии применяются в энергетике (топливно-энергетическом комплексе) и в энергетическом машиностроении.

Со 2-й половины 20 в., в условиях научно-технической революции, потребности человеческого общества в различных видах энергии, главным образом электрической, росли особенно быстро. Происходят и качественные изменения в результате массовой электрификации промышленных производств, перехода от угольной моноструктуры топливоснабжения к широкому использованию нефти, природного газа, ядерного горючего; создания уникальных по параметрам и протяженности средств передачи энергоресурсов и электроэнергии, единых для стран энергосистем.

Научно-технический прогресс в энергетике выражается в разработке новых методов производства и преобразования энергии, укрупнении энергопроизводящего оборудования, совершенствовании средств добычи энергетических ресурсов, создании новых технологий. Развивается взаимозаменяемость различных видов энергии, установок, ее производящих, отдельных энергетических ресурсов. Растёт концентрация производства и средств передачи преобразованных видов энергии (в первую очередь, электроэнергии), энергетических ресурсов, централизация их распределения.

Россия – единственное в мире крупное индустриальное государство, базирующее свое развитие на собственных топливно-энергетических ресурсах (см. Топливная промышленность).

↑История энергетических технологий

Интенсивное развитие энергетических технологий тесно связано с научно-технической революцией. В энергетике были сделаны крупнейшие изобретения, обеспечившие колоссальный технический прогресс XX в. Новый вид энергии— электричество — и новый тип универсального теплового двигателя — паровая турбина — вот главнейшие достижения энергетики, оказавшие революционизирующее влияние на всю технику этой эпохи.

В 70—80-е годы XIX в. были сделаны крупные научные обобщения в области изучения электричества и магнетизма. Экспериментальные данные, накопленные при исследовании электричества и магнетизма в первой половине XIX в. (опыты Фарадея и др.), дали материал для создания электромагнитной теории Максвелла, которая и стала основой развития электротехники в конце XIX — начале XX в. В это время начинается интенсивная разработка теоретических вопросов электротехники, связанных с практическим применением электроэнергии в самых различных областях производства.

В первую очередь инженерная мысль обратилась к вопросу об источниках электроэнергии — генераторах, так как без рационального источника электрического тока, способного вырабатывать токи необходимой мощности и частоты, было невозможно осуществить внедрение электроэнергии в промышленное производство. Наиболее существенным достижением являлось изобретение инженерами Граммом, Гефнер-Альтенеком, Фонтенем и др. электромагнитного генератора с самовозбуждением и кольцевым якорем (см. История развития генераторов и электродвигателей).

Рис. 1. Машина-генератор З.Т. Грамма

Изобретение рационального генератора помогло решить проблему электрического освещения (лампы Лодыгина, Яблочкова, Эдисона, Кржижика и др.) – см. История создания электрического освещения.

Рис. 2. Схема электрической лампы накаливания А. Н. Лодыгина (1872 г.).

Рис. 3. Электрическая лампа накаливания Т. А. Эдисона (1879 г.).

Яблочков впервые на практике применил трансформатор переменного однофазного тока в виде индукционных катушек со стержневым сердечником, что дало возможность разрешить проблему «дробления» и «разделения» электрического света. Этим Яблочков как бы разделил процесс применения электрической энергии на три звена: производство (генерирование), передача и потребление. Таким образом, начало развития элементов электроэнергетической системы было положено трудами П. Н. Яблочкова.

Рис. 4. Схема «дробления электрического света» системы П. Н. Яблочкова.

Проблема передачи электроэнергии на дальние расстояния разрабатывалась в основном в 80-х годах XIX в. В ходе многочисленных экспериментов русский ученый Лачинов и француз Депре, повысив напряжение тока в линии передач, наметили правильный путь к разрешению этой проблемы. В конце XIX в. проблема передачи электроэнергии на большие расстояния была в основном решена. Техническим средством, позволившим решить ее, явилось применение переменного тока, сначала однофазного, затем двухфазного и, наконец, трехфазного, передача которого оказалась наиболее выгодной и удобной. Система трехфазного тока была предложена русским инженером М.О. Доливо-Добровольским.

В 90-х годах XIX в. развернулось широкое строительство электростанций и линий дальних электропередач. Развитие электростанций потребовало создания более мощного и рационального теплового двигателя, способного их обслуживать. Паровая машина была непригодна для этих целей. И в результате исследований теплотехников в странах Европы и США появился качественно новый тип теплового двигателя — паровая турбина (см. Технический прогресс в теплоэнергетике).

Рис. 5. Схема работы активной турбины Лаваля.

Рис. 6. Турбогенератор Парсонса (модель). Справа — электрогенератор с высокими электромагнитами, слева — паровая турбина со снятой крышкой.

Решение проблемы передачи электроэнергии на большие расстояния освободило промышленность от сковывавших ее местных энергетических условий. Электрическая энергия с начала XX в. прочно вошла в промышленное производство, сначала в виде группового, а затем индивидуального электропривода, который и осуществил реконструкцию всего силового хозяйства машинной индустрии начала XX в. – см. История решения проблемы передачи электроэнергии на дальние расстояния.

Рис. 7. Трехфазный двигатель М. О. Доливо-Добровольского (1891 г.).

Рис. 8. Схема трехфазного трансформатора М. О. Доливо-Добровольского. 

↑Энергетическое и электротехническое образование

Энергетическое и электротехническое образование – это система подготовки специалистов по энергетике — тепло-, гидро-, электроэнергетике и энергомашиностроению для различных отраслей народного хозяйства, а также по электротехнике и другим видам техники, занимающимся производством, преобразованием, передачей, распределением и потреблением энергии в различных ее формах.

В России стало развиваться с середины 19 в., когда в Петербургском технологическом институте и Горном институте было введено изучение термодинамики, паровых машин и паровых котлов. В конце 19 в. инженеры-теплоэнергетики готовились в Московском техническом училище (ныне МГТУ им. Н. Э. Баумана), технологическом (кроме Петербургского, также в Харькове, Томске) и политехническом (Петербург, Рига) институтах. Строительство гидростанций в конце 19 в. усилило потребность в инженерах-гидроэнергетиках, центрами подготовки которых стали Петербургский электротехнический институт, Харьковский технологический институт и Московское техническое училище.

В конце 19 - начале 20 вв. в энергетическом и электротехническом образовании получили интенсивное развитие курсы электротехники (в связи с первыми успехами в передаче электроэнергии на расстояния), энергостроительства и электрификации различных отраслей промышленности и транспорта. Электротехников-энергетиков готовили названные выше учебные заведения. Петербургский политехнический институт (политехнический институт им. М. И. Калинина) и Московское техническое училище стали крупнейшими центрами электротехнической подготовки кадров. Инженеры-электротехники готовились также в Киевском политехническом институте, Рижском политехническом институте, Новочеркасском политехническом институте и Томском технологическом институте.

За годы Советской власти сформировались основные специализации в энергетическом и электротехническом образовании. В теплоэнергетике - проектирование, монтаж и эксплуатация тепловых установок, теплофикационных сетей, теплового оборудования и др. В электроэнергетике и электротехнике - проектирование, монтаж и эксплуатация тепловых электростанций, линий передачи электроэнергии в различных отраслях промышленности, транспорта и связи, электромашиностроение, электроаппаратостроение (в том числе ионная и рентгеновская аппаратура, осветительные устройства) и др. В гидроэнергетике - проектирование, строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений, гидроэлектростанций и передаточных устройств.

В связи с потребностями развивающейся энергетики и электропромышленности ведется подготовка кадров по новым специальностям: атомные электростанции и установки, автоматизация теплоэнергетических процессов, электротермические установки, авиа- и автотракторное электрооборудование, гидравлические машины и средства автоматики, теплофизика, кибернетика, электрические системы, гидродинамика, вычислительная техника и др. Ведущим учебным и научно-исследовательским центром по энергетике и электромеханике является Московский энергетический институт.

В соответствии с Общероссийским классификатором специальностей по образованию (ОКСО), определяющим государственный стандарт на высшее и среднее профессиональное образование, энергетическое и электротехническое образование входит в укрупнённую группу специальностей ЭНЕРГЕТИКА, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, которая содержит следующие укрупнённые группы специальностей и специальности:

Теплоэнергетика

• Тепловые электрические станции
• Теплоснабжение и теплотехническое оборудование
• Технология воды и топлива на тепловых и атомных электрических станциях
• Промышленная теплоэнергетика
• Энергетика теплотехнологий
• Энергообеспечение предприятий

Электроэнергетика

• Высоковольтная электроэнергетика и электротехника
• Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии
• Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем
• Электрические станции
• Электроэнергетические системы и сети
• Электрические станции, сети и системы
• Технология воды, топлива и смазочных материалов на электрических станциях
• Монтаж и эксплуатация линий электропередачи
• Гидроэлектростанции
• Гидроэлектроэнергетические установки
• Электроснабжение
• Электроснабжение (по отраслям)

Ядерные физика и технологии

• Ядерные реакторы и энергетические установки

Техническая физика

• Техника и физика низких температур
• Теплофизика
• Техническая физика термоядерных реакторов и плазменных установок
• Атомные электрические станции и установки

Энергомашиностроение

• Двигатели внутреннего сгорания
• Котло- и реакторостроение
• Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели
• Холодильная, криогенная техника и кондиционирование
• Плазменные энергетические установки

Электротехника, электромеханика и электротехнологии

• Электромеханика
• Электрические и электронные аппараты
• Электрические машины и аппараты
• Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов
• Электротехнологические установки и системы
• Электрический транспорт
• Электрооборудование автомобилей и тракторов
• Электрооборудование и автоматика судов
• Электрооборудование летательных аппаратов
• Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений
• Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника
• Электротехнические устройства
• Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)

Полный и актуальный перечень учебных заведений России, осуществляющих образование по перечисленным специальностям приводится на федеральном портале «Российское образование». Поиск нужного учебного заведения в России можно выполнить в разделе «Расширенный поиск ВУЗа» с использованием фильтров по названию ВУЗа, городу, названию или коду специальности по ОКСО, форме обучения и т.д.

↑Энергетическая наука

Отечественная энергетическая научная школа была создана в 30-х гг. Г. М. Кржижановским. Большое значение имели труды В. В. Болотова, В. И. Вейца, А. В. Винтера, С. А. Кукель-Краевского, А. Е. Пробста, Е. А. Русаковского, М. А. Шателена, а также В. А. Кириллина, Л. А. Мелентьева, М. А. Стыриковича и многие др. Основные научные исследования в области энергетики проводятся в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского и др.

В проекте международного стандарта номенклатуры областей науки и техники (Proposed International Standard Nomenclature for Fields of Science and Technology) ЮНЕСКО, категории, соответствующие энергетическим технологиям, разнесены по нескольким областям технологий, в том числе: электротехника и оборудование, механическое оборудование и технологии, моторизированные машины, ядерные технологии и, собственно, энергетические технологии.

Актуальная номенклатура специальностей научных работников ВАК[1] включает в себя следующие специальности в группе специальностей, соответствующих энергетическим технологиям:

Энергетическое, металлургическое и химическое машиностроение

• Тепловые двигатели
• Атомное реакторостроение, машины, агрегаты и технология материалов атомной ромышленности
• Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Электротехника

• Электромеханика и электрические аппараты
• Электротехнические материалы и изделия
• Электротехнические комплексы и системы
• Теоретическая электротехника
• Светотехника
• Электротехнология
• Силовая электроника

Энергетика

• Энергетические системы и комплексы
• Электрические станции и электроэнергетические системы
• Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации
• Промышленная теплоэнергетика
• Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии
• Техника высоких напряжений
• Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

В соответствии с классификатором конкурсов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), в 2010 г. РФФИ предоставляет гранты на исследования в следующих областях фундаментальных основ инженерных наук, связанных с энергетическими технологиями:

Электрофизика, электротехника и электроэнергетика

• Сильноточная электроника и электроника больших мощностей
• Проблемы получения, преобразования и передачи электроэнерrии
• Электротехника и техническая сверхпроводимость

Энергетика

• Энергетические системы на органическом топливе
• Возобновляемые источники и системы прямого преобразования энергии
• Водородная энергетика
• Проблемы создания энергетического оборудования
• Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)
• Энерго­ и ресурсосберегающие, эколоrически чистые химико­ - технологические процессы

Атомная энергетика

• Теория и методы проектирования ядерных реакторов
• Ядерный топливный цикл, нераспространение
• Ядерные и термоядерные технологии

↑Рекомендуемая литература

Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под общей редакцией А.С. Орлина, М.Г. Круглова.

И.И. Алиев, М.Б. Абрамов, Электрические аппараты

В.Н. Андрианов, Д.Н.Быстрицкий, К.П.Вашкевич, В.Р.Секторов, Ветроэлектрические станции

Электрические машины и аппараты

М.В. Антонов, Л.С.Герасимова, Технология производства электрических машин

Электроизмерительная техника / Под редакцией В.О.Арутюнова

Р.Б. Ахмедов, И.В. Баум, В.А.Пожарнов, В.М.Чаховский, Солнечные электрические станции

Геотермальная энергия

Ветроэнергетика / Под редакцией Д. де Рензо

Ядерная энергетика

Первичные источники тока / Под редакцией Ю.А.Мазитова