Нанотехнологии в энергетике реферат

Обновлено: 02.07.2024

Энергетика - это одна из наиболее важных отраслей промышленности, развитие которой практически сразу отражается на качестве жизни людей. От того, над чем работают сегодня ученые, какие идеи они считают перспективными, какие проекты востребованы коммерческим сектором, во многом зависит состояние энергетики нашей страны и мира в будущем. В настоящее время поиск и изучение альтернативных источников энергии являются одними из самых популярных направлений научных исследований. В дело идет практически всё, что угодно – солнечный свет, ветер, океанские течения, энергия вакуума и т.д. Устройства, способные сами добывать энергию из окружающей среды, могут иметь массу полезных применений.

В своем реферате я хотела бы рассмотреть наиболее успешные и перспективные разработки, которые уже реализуются на практике или будут востребованы в ближайшие годы. Здесь речь пойдет о наноматериалах, разрабатываемых для атомной энергетики, светодиодного освещения, электротехники, сверхпроводимости, водородной и солнечной энергетики.

1. Углеродные нанотрубки

1.1 Углеродные нанотрубки

Протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.

1.2 Классификация нанотрубок

Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки.

По значению параметров (n, m) различают

· прямые (ахиральные) нанотрубки

· зигзагообразные m=0 или n=0

· спиральные (хиральные) нанотрубки

1.3 История открытия

Говоря об углеродных нанотрубках, нельзя назвать точную дату их открытия. Хотя общеизвестным является факт наблюдения структуры многослойных нанотрубок Ииджимой в 1991 г. [3], существуют более ранние свидетельства открытия углеродных нанотрубок. Так, например в 1974—1975 гг. Эндо и др. [4] опубликовали ряд работ с описанием тонких трубок с диаметром менее 100 Å, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования структуры не было проведено. В 1992 в Nature [5] была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали в 1953 г. Годом ранее, в 1952, в статье советских учёных Радушкевича и Лукьяновича [6] сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении окиси углерода на железном катализаторе. Эти исследования также не были продолжены.

Существует множество теоретических работ по предсказанию данной аллотропной формы углерода.

В работе химик Джонс (Дедалус) размышлял о свёрнутых трубах графита.

В работе Л. А. Чернозатонского и др. [7], вышедшая в тот же год, что и работа Ииджимы, были получены и описаны углеродные нанотрубы, а М. Ю. Корнилов не только предсказал существования однослойных углеродных нанотруб в 1986 г., но и высказал предположение об их большой упругости [8].

НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ
Реферат

Преподаватель ________________ Т.В. Штанг

(подпись, дата)
Нормоконтролер ________________ Т.В. Штанг

(подпись, дата)
Студент гр. Фт-100009 ________________ Л.А. Рогожин

Екатеринбург 2020
ЗАДАНИЕ НА РЕФЕРАТ

Сведения о реферате:

Нанотехнологии в энергетике

Объектом исследования являются нанотехнологии, энергетика и нанотехнологии в энергетике

Целью реферативной работы является: изучение нанотехнологий в энергетике и их применение.
СОДЕРЖАНИЕ

Задание на реферат	2
Введение	4
1 Нанотехнологи	5
1.1 Что такое нанотехнолоогии?	5
1.2 Типы наноматериалов	6
1.3 Области применения нанотехнологий	8
2 Энергетика	9
2.1 Что такое энергетика?	11
2.2 Типы энергетики	12
2.3 Проблемы энергетики	14
3 Нанотехнологии в энергетике	15
Заключение	19
Список использованных источников	20

Значимость энергетики в современном мире понимают все, её трудно переоценить. Поэтому более эффективное использование традиционных источников, переход от не возобновляемых к возобновляемым источникам энергии является одной из главенствующих планетарных задач, напрямую или опосредованно связанных с устойчивостью глобальной и региональных систем обеспечения энергией всех областей деятельности современного человека. Кроме того, эффективное, разумное использование энергии и её не возобновляемых источников напрямую или опосредованно связано с состоянием глобальной и региональной экологии.

Хотя разделить возможный вклад на количественном уровне в эффективность энергетики настоящего и будущего всех этих технологий непросто, всё же большинство экспертов отдают пальму первенства нанотехнологиям.

1 НАНОТЕХНОЛОГИИ
1.1 Что такое нанотехнологии?
Нанотехнологии — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Знание и управление процессами, как правило, в масштабе 1 нм, но не исключающее масштаб менее 100 нм в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;
Использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти свойства.

совокупность технологических методов, применяемых для изучения, проектирования и производства материалов, устройств и систем, включая целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных элементов нанодиапазона.

Нанотехнология – это новая, малоисследованная наука. Она относится к высоким наукам, так как в ней используются сложные технологии, которые существуют совсем немного времени.

Нанопористые структуры
Наночастицы
Нанотрубки и нановолокна
Нанодисперсии
Наноструктурированные поверхности и пленки
Нанокристаллы
Нанокластеры
Но существует также и другая классификация наноматериалов:
Наноизделия
Микроизделия
Массивные наноматериалы
Композиты с компонентами из наноматериалов

Наноизделия — это материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т. п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки).

Микроизделия — это материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне от 1 мкм до 1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги.

Массивные наноматериалы — это наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких миллиметров). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1–100 нм.

Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов.

Элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры, фотодетекторы, солнечные элементы, различные сенсоры)
Устройства сверхплотной записи информации
Телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии
Суперкомпьютеры
Видеотехника — плоские экраны, мониторы, видеопроекторы
Молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне;
Нанолитография и наноимпринтинг;
Топливные элементы и устройства хранения энергии;
Устройства микро‑ и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы
Авиационные, космические и оборонные приложения
Наномедецина

Электроника. В 2000 году компания Intel представила миру процессор для компьютеров, сделанный по технологии 180 нм. К 2010 году прогресс достиг технологии созданий процессоров, основанный на 32 нм, а в 2020 году, компания Apple представила всему миру первый в мире процессор, сделанный по технологии 5 нм. И сделан он для мобильных устройств, а не компьютера. Что все это означает? Означает это то, что в будущем появятся процессоры, сделанные по технологии меньше 5 нм, что положительно скажется на мощности устройств и их размерах. Также, как и с процессорами, вся остальная электроника обладает тенденцией уменьшаться в размерах и увеличиваться в мощности.

Роботехника. Основной упор нанотехнологий в робототехнике направлен на создание нанароботов. Это роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями движения, обработки и передачи информации, исполнения программ. Данные роботы могут применяться в медицине, в космонавтике, в хранении и передаче данных и во многих других областях.
2 ЭНЕРГЕТИКА
2.1 Что такое энергетика?
Энергетика — область хозяйственно-экономической деятельности человека, совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Её целью является обеспечение производства энергии путём преобразования первичной, природной энергии во вторичную, например в электрическую или тепловую энергию.

Получение энергии из природных ресурсов
Передача энергии к энергетическим установкам
Преобразование энергии
Передача полученной энергии потребителю или её накопление

Электроэнергетика — это подсистема энергетики, охватывающая производство электроэнергии на электростанциях и её доставку потребителям по линиям электропередач. Электроэнергетику принято делить на традиционную и нетрадиционную. Характерной чертой традиционной электроэнергетики является её давняя и хорошая освоенность, она прошла длительную проверку в разнообразных условиях эксплуатации. Основную долю электроэнергии во всём мире получают именно на традиционных электростанциях. Традиционная электроэнергетика делится на несколько направлений:

Тепловая энергетика – производят энергию на тепловых электростанциях (ТЭС), которая в качестве источника энергии органическое топливо, такие как уголь, торф, мазут, газ и прочее. Данная энергетика является самой древней и на данный момент преобладает среди традиционной энергетики.

Гидроэнергетика – производят энергию на гидроэлектростанциях (ГЭС), которые в качестве источника энергии используют энергию водного потока. Гидроэнергетика известна ещё с водяной мельницы и сегодня в некоторых странах данная энергетика является основной.

Ядерная энергетика – производят энергию на атомных электростанциях (АЭС), которая в качестве источника энергии использует энергию управляемой цепной ядерной реакции деления, чаще всего урана и плутония.

Нетрадиционная энергетика отличается от традиционной в источниках энергии, а именно в их локальном значении. В качестве первичной энергии выступают ветер, геотермальные источники, солнце и прочее. Особенность данной энергетики в том, что она экологически чистая, обладает большими затратами на сооружения станций для переработки энергии и малое количество получаемой энергии. Если одна ТЭС сможет питать энергией целый город, то аналогичная по площади система солнечных батарей, сможет обеспечить энергией лишь улицу и только в солнечную погоду.

Вся электроэнергетика держится на электросетях. Электрическая сеть — совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их линий электропередачи, предназначенная для передачи и распределения электрической энергии. Электрическая сеть обеспечивает выдачу мощности электростанций, её передачи на расстояние, преобразование электрических параметров (напряжения, тока) на подстанциях и её распределение по территории до непосредственных потребителей электроэнергии. С каждым годом электросети во всем мире расширяются и покрывают всё больше территорий.

Исчерпаемость ресурсов – ресурсы, используемые ТЭС и ТЭЦ являются конечными. Эти источники энергии рано или поздно закончатся, а значит человечеству необходимо будет найти новые источники энергии.
Неравномерное распределение ресурсов – не все страны на Земле могут самостоятельно производить энергию и им приходится эту энергию закупать у других стран. В будущем это может привести к войне за ресурсы.
Ухудшение экологической обстановки – с каждым годом экологическая ситуация в мире ухудшается. Одной из главных причин этому, это газы, которые образуются при сжигании угля, торфа и мазута.

Первичные источники энергии.
Производство и преобразование энергии.
Распространение энергии.
Хранение энергии.
Использование энергии.

Фотовольтаика: нанооптимизация (эффективность) солнечных панелей (полимеры, красители, квантовые точки, нанотонкие пленки, антиотражающие покрытия, многослойные фотоэлементы с мультипереходами).
Энергия ветра: легкие и прочные полости пропеллера (лопасти винта) оптимальной геометрии из нанокомпозитов нового поколения, антикоррозионные покрытия.
Геотермальные источники: нанопокрытия и нанокомпозиты в износостойких устройствах бурильных установок.
Использование энергии волн прилива: коррозиестойкие покрытия.
Энергия биомассы: нанооптимизация (концентрация пестицидов, питание) режима выращивания биомассы (наносенсоры, актуаторы, процессоры).
Невозобновляемые источники (ископаемые), уголь, нефть, газ: погодостойкие и коррозиестойкие покрытия износостойких бурильных установок; добавки наночастиц, наноколлоидных систем для повышения эффективности бурения.
Атомная энергия: нанокомпозиты для защиты персонала от радиации, капсулирование источников радиации.

Газовые турбины: защита от коррозии и термодеструкции лопаток турбины (нанокерамика, интерметаллические нанопокрытия, повышение эффективности работы электростанций).
Термоэлектричество: наноструктурированные компаунды, наностержни, использование вторичного тепла для персонального пользования.
Топливные элементы: нанооптимизированные мембраны и электроды для повышения эффективности топливных элементов в автомобилях и в мобильной электроники.
Производство водорода: нанокатализаторы, нанофотоника, новые нанотехнологии, фотоэлектрика.
Электромоторы: нанокомпозиты для сверхпроводимости компонентов в электромоторах, например электродвигателей кораблей.

Таким образом, можно заметить, что нанотехнологию активно используются и будут использоваться в будущем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нанотехнологии активно расширяются и постепенно проникают в наш мир. В том числе и в энергетику, без которой не существовало бы такого развитого, индустриального мира.

Использования нанотехнологий в энергетике в настоящее время и в будущем возможно во всех областях производства, распространения, хранения и использования всех видов энергии, произведенной из невозобновляемых и возобновляемых источников. В традиционных источниках энергии и в альтернативных возобновляемых источниках начинают использовать нанотехнологии в различной форме. Можно будет прогнозировать практическое расширение нанотехнологии в будущем. Нанопокрытия можно применять для защиты от погоды и коррозии различных устройств во всех случаях эксплуатации установок на открытом воздухе и в воде. Обеспечение конструкций при одновременном повышении их прочности достигается с помощью легких и прочных нанокомпозитов, в которых полимерная матрица наполнена наночастицами, нановолокнами, нанотрубками различной химической природы. Нанотехнологии играют важную роль во всех направлениях энергетики, использующей солнечную энергию.

Так что пусть и сама нанотехнология и появилась недавно, но уже в наши дни делает огромные успехи. За нанотехнологиями стоит будущее, о котором мы мечтали все эти годы.

Значимость энергетики в современном мире понимают все, её трудно переоценить. Поэтому более эффективное использование традиционных источников, переход от невозобновляемых к возобновляемым источникам энергии является одной из главенствующих планетарных задач, напрямую или опосредованно связанных с устойчивостью глобальной и региональных систем обеспечения энергией всех областей деятельности современного человека. Кроме того, эффективное, разумное использование энергии и её невозобновляемых источников напрямую или опосредованно связано с состоянием глобальной и региональной экологии.

Решить планетарные проблемы энергетики при ограниченности и всё менее недоступных и невозобновляемых традиционных источников энергии, можно только поставив на службу экономической эффективности энергетики комплекс конвергентных NBIC-технологий и примыкающей к ним бионики. Хотя разделить возможный вклад на количественном уровне в эффективность энергетики настоящего и будущего всех этих технологий непросто, всё же большинство экспертов отдают пальму первенства нанотехнологиям.

Экономический потенциал нанотехнологий в секторе экономики.

Нанотехнологии имеют огромный экономический потенциал использования во всех сферах энергетики, способствуя повышению эффективности и экологичности на всех стадиях: все виды источников энергии, производства, хранения и трансформации энергии, ее передачи и использования. Эксперты называют цифру в 40 миллиардов DS в краткосрочном периоде за счет использования нанотехнологий в энергетике.

Энергия на транспорте и нанотехнологии.

– Легкие конструкции за счет использования нанокомпозитов в конструкции автомобилей, самолетов, судов и других видов транспорта.

– Экономия топлива за счет наноприсадок в форме наночастиц и износостойкая нанозащита частей двигателя.

Современные промышленные и жилые строения.

– Термо- (тепло-) изоляция за счет использования нанопористых материалов и нанокомпозитов для контроля за свето- и теплопотоками за счет умных стекол, тепловых рефлекторов. 80% изоляционных материалов используют в частных домах (2006 год – в Европе производство теплоизоляционных материалов оценивалось в 3 миллиарда DS).

– Использование различных видов светодиодов для освещения (мировой рынок в 2010 году – 83 миллиарда DS, с годовым ростом ~15-20%). В будущем использование в передних фарах автомобилей, дисплеях компьютеров и ТВ. Огромная экономия (десятки процентов) за счет использования диодов в рекламе.

Хранение энергии.

Использование нанотехнологий в хранении энергии сосредоточено на совершенствование Li-ионных батарей для портативной электроники, электро- и гибридных автомобилей, при создании нанопористых материалов для хранения Н₂. В 2014 году выигрыш от использования нанотехнологий в хранении энергии составил 5 миллиардов DS. Мировой оборот продаж только Li-ионных батарей в 2014 году составил 4 миллиарда DS.

Топливные и солнечные элементы.

Использование нанотехнологий в области конверсии энергии, особенно совершенствование топливных элементов и солнечных панелей. В ближайшее время объемы производства достигнет в ценовом выражении ~10 миллиардов DS. Только оборот тонкослойных солнечных панелей в 2010 году на рынке составил 2 миллиарда DS. В основном это системы, построенные на замещение кремния на иные полупроводниковые материалы. Эта технология позволяет производить наноструктурированные слои с высокой фотоэффективностью. Эти материалы обладают термостойкостью, высокой фотоактивностью и находят применение в таких областях, как плоские надежные крыши – солнечные панели.

Ещё более динамично на основе нанотехнологий растет мировое производство топливных элементов. В 2013 году их было произведено на 18 миллиардов DS. В Европе в 2010 году было произведено топливных элементов на 1 миллиард евро, а в 2020 году производство планируется увеличить более чем в 20 раз (21,5 миллиардов евро). Такой рост производства топливных элементов связан с переходом в европейском и мировом автопроме от бензиновых и дизельных двигателей на электро-, гибридные и водородные двигатели.

Высоко температурные сверхпроводники.

Это область также является интересным объектом приложения нанотехнологий, но мировой рынок этой продукции пока невелик, скорость его роста мала и в 2014 году составляла 300 миллионов DS, но к 2025 году достигнет 18 миллиардов DS. Основная экономия от использования ВТСП – понижение потери энергии при её передаче в двигателях, генераторах, преобразователях, трансмиссиях.

Термоэлектричество.

Это область конверсии энергии остается пока в лидерах, но и в ней использование нанотехнологий позволяет в настоящее время на мировом рынке иметь продукцию на основе принципа термоэлектричества объемом ~1 миллиард DS.

Использование вторичного тепла от двигателей на транспорте для производства локального электричества позволит в будущем сэкономить до 2/3 затрагиваемой энергии на транспорте, используя локальные термогенераторы (фирма BHW еще в 2011 году начала применять термогенераторы мощностью 750 ватт).

Послесловие автора.

Автор не специалист в энергетике, но нанотехнологии проникают всюду и особенно в энергетику, без которой развитие мира затормозится. Задача обзора показать специалистам и околоспециалистам в области наноэнергетики, что нанотехнологии изменяют саму парадигму развития цивилизации, и путь использования исключительно полезных ископаемых в виде топлива – путь в никуда. И скорее является политическим тормозом развития прогресса. И это в первую очередь должна понять пытливая молодежь, а не циничные политики.

Развитие исследований по синтезу коллоидных (нанодисперсных) систем, их изучению в коллоидной химии в начале прошлого века буквально совершило научную революцию – на основании результатов таких исследований было окончательно подтверждено молекулярное строение вещества, разработана теории флуктуаций (Смолуховский), Броуновского движения (Эйнштейн-Смолуховский), диффузии частиц (Эйштейн), рассеяния света (Рэлей).

Но это стало возможным только после того, как в 1903 году в Германии директор Геттингенского института физической химии Рихард Зигмонди (совместно с физиком Зидентопфом, работавшим на оптическом заводе в г.

1. изучить литературные и интернет-источники по теме реферата, ознакомиться с материалами конференций, посвященных обмену опытом между практикующими специалистами в области менеджмента и маркетинга, работающими в энергетической отрасли;

Электроэнергетика – это комплексная отрасль хозяйства, которая включает в свой состав отрасль по производству электроэнергии и передачу ее до потребителя. Электроэнергетика является важнейшей базовой отраслью промышленности. От уровня ее развития зависит все народное хозяйство страны, а так же уровень развития научно-технического прогресса в стране.

Проектный подход к анализу инноваций в энергетике

Развитие технологий, связанных с исследованием, созданием и использованием наноматериалов, в ближайшие годы приведет к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности – в электронике, информатике, материаловедении, энергетике, машиностроении, биологии, медицине, сельском хозяйстве, экологии.Рассмотрение истории развития нанотехнологии в мире вообще и в России в частности.Анализ возможностей, способов и методов применения нанотехнологий в машиностроении (в мире и в России).

Для этого в первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу человеческому сообществу. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей.

Список источников информации

1. Морозов В.В. Институциональные аспекты энергетической интеграции// Нефть, газ и бизнес, № 9, 2014.

2. Прогноз развития энергетики мира и России до 2040 года//Институт энергетических исследований РАН. 2014.

3. Рюль К. Три тенденции мировой энергетики// Нефть России, № 6, 2012.

4. Хейфец Б. О зоне свободных инвестиций Евразийского экономического союза// Вопросы экономики, № 8, 2014.

Читайте также: