НАУКА И МЫ

Медицинские, исторические, технические, социальные и другие научно-исследовательские работы

Образование »  » Технические

Производство электроэнергии


   Без электроэнергии жизнь современного общества невозможна. Электроэнергия производится на электростанциях различных типов. Каждый из них имеет свои технико-экономические особенности и факторы размещения.

2.1.1. Тепловая электроэнергетика
Это ведущее направление электроэнергетики. ТЭС (рис. 1) обладают крупными достоинствами. Они могут работать на различных видах топлива. Поэтому их можно строить в различных районах страны. Стоимость и время строительства ТЭС относительно невелики. Их мощность может быть очень большой. Это позволяет получать дешевую электроэнергию.
Однако ТЭС имеют и существенные недостатки. Они используют невозобновимые энергетические ресурсы и дают много твердых и газообразных отходов.
Размещение ТЭС зависит от качества топлива, на котором они работают. Топливо низкого качества (торф, сланцы, бурый уголь) перевозить на большие расстояния невыгодно. Высококачественное топливо (природный газ, мазут) можно транспортировать достаточно далеко.
Теплоэлектростанции могут быть использованы для электроснабжения и теплообеспечения жилых и общественных зданий, промышленных предприятий.
Одновременно с выработкой электроэнергии теплоэлектростанцией происходит и активация отопительных систем. В теплоэлектростанциях предусмотрен режим покрытия пиковой потребности в электроэнергии при одновременной выработке тепла.
Основными узлами теплоэлектростанции являются: двигатели — силовые агрегаты теплоэлектростанции, электрогенераторы, теплообменники теплоэлектростанции, градирни. Кроме того, в состав теплоэлектростанции входят: катализаторы, система подачи смазочного масла, система вентиляции, системы пожаротушения, распределительные щиты, трансформаторы теплоэлектростанции, устройства контроля сети, блоки управления.
Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в парогенераторе для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора (обычно синхронного генератора). Особая разновидность тепловых электростанций – теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). На них, помимо электроэнергии, вырабатывается тепло (горячая вода и пар).
Если не рассматривать аварийные ситуации, когда обычные электростанции незаменимы, то за счет одновременной выработки электроэнергии и подачи тепла теплоэлектростанции наиболее эффективны и экономичны при длительной эксплуатации. Максимальная тепловая мощность отопительной системы нужна в течение нескольких месяцев в году, а для удовлетворения примерно 60% расхода тепла требуется всего 20% установочной тепловой мощности.
Полное покрытие расхода тепла за счет тепловой мощности теплоэлектростанции оказывается нецелесообразным. Для этого в одной системе устанавливают модуль блочной теплоэлектростанции и один или несколько отопительных котлов. Совместная регулируемая работа комплекса отопительных приборов позволяет использовать их с максимальной эффективностью. Постоянно действующим источником тепла при этом является модуль теплоэлектростанции, а отопительные котлы включаются по мере роста тепловой нагрузки.
Благодаря оптимальному режиму преобразования энергии и использованию катализаторного оборудования для современных теплоэлектростанций характерно низкое выделение в атмосферу вредных веществ.

2.1.2. Гидроэнергетика

Вода, которую еще в древности использовали для совершения механической работы, до сих пор остается хорошим источником энергии - теперь уже электрической - для нашей промышленной цивилизации.
ГЭС (рис.2) наиболее выгодно строить на реках с большим падением и расходом воды. Их главное достоинство – использование возобновляемого вида ресурсов, кроме того, они производят самую дешевую электроэнергию. Работа ГЭС позволяет экономить 60 млн. т топлива в год. Отсутствие выбросов углекислого газа в атмосферу и высокий КПД также являются важными преимуществами ГЭС.
Однако крупные ГЭС очень дороги и долго строятся. Их работа требует создания крупных водохранилищ. Вода, прошедшая через турбину, становится «мертвой», так как в ней погибают все микроорганизмы. Строительство ГЭС зачастую приводит к изменению естественных речных систем и ландшафта. Кроме того, время от времени, когда стоит слишком жаркая или морозная погода, в работе ГЭС случаются перебои.
Гидроэлектростанции вырабатывают ток за счет энергии холодной воды. Когда водяной поток проходит турбины и приводит в движение генераторы, его энергия (падающей воды или приливов и отливов) преобразуется в электрическую. Различают бесплотинные ГЭС (рис.3), использующие естественный поток, и электростанции, где поступающая вода накапливается в водохранилище и по мере необходимости подается на турбины. На гидроаккумулирующих станциях (ГАЭС) есть дополнительное «верхнее» водохранилище, куда вода закачивается в часы малого потребления энергии и сбрасывается в пиковые часы, увеличивая мощность станции. Использование энергии морских приливов и отливов пока возможно лишь в ограниченных масштабах: в настоящее время действует не так много приливных электростанций.
Приливная электроста́нция (ПЭС)— особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Уровень воды на морских побережьях в течение суток меняется три раза. Такие колебания особо заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. В XVIII в. английский физик Исаак Ньютон разгадал тайну морских приливов и отливов: огромные массы воды в мировом океане приводятся в движение силами притяжения Луны и Солнца. Через каждые 6 ч 12 мин прилив сменяется отливом. Максимальная амплитуда приливов в разных местах нашей планеты неодинакова и составляет от 4 до 20 м. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит. Считается экономически целесообразным строительство ПЭС в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность ПЭС зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины. В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. ПЭС двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы – с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока.
Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. 24 гидроагрегата ПЭС вырабатывают в среднем за год 502 млн. кВт. час электроэнергии. Для этой станции разработан приливный капсульный агрегат, позволяющий осуществлять три прямых и три обратных режима работы: как генератор, как насос и как водопропускное отверстие, что обеспечивает эффективную эксплуатацию ПЭС.
В 1968 г. на Баренцевом море, неда¬леко от Мурманска, вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место ее строитель¬ства – Кислая Губа представляет собой уз¬кий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Хотя мощность Кислогубской ПЭС неве¬лика, ее сооружение имело важное значение для дальнейших исследовательских и про¬ектно-конструкторских работ в области ис¬пользования энергии приливов.
Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный потенциал Охотского моря, где местами, например на Пенжинской губе, высота приливов составляет 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м. Работы в этой области ведутся и за рубежом. В 1985 г. пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м
С точки зрения экологии ПЭС имеет бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной трубы Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.


2.1.3. Атомная энергетика

Атомная электростанция (АЭС) (рис.4) - электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем. При делении 1 г изотопов урана или плутония высвобождается 22 500 квт ч, что эквивалентно энергии, содержащейся в 2800 кг условного топлива.
Источник энергии в реакторе (1) атомной электростанции – атомные ядра урана-235, которые легко расщепляются. При расщеплении атома высвобождаются 2-3 нейтрона. Попадая в ядра других атомов, они вызывают цепную реакцию деления. Избыточные нейтроны поглощаются специальными стержнями, иначе атомные ядра начнут делиться в геометрической прогрессии и реакция может выйти из-под контроля.
Стержни располагаются между тепловыделяющими элементами (2), содержащими уран. Тепло, выделяемое в процессе реакции, идет на превращение воды в пар (3). Пар приводит в движение рабочие колеса турбин (4), а те вращают генераторы электростанции (5), вырабатывающие электрическую энергию. В конце концов пар конденсируется в трубах охладительной системы (6) и превращается в воду, которую вновь подают в реактор. Коэффициент полезного действия атомной станции – около 35 % (рис.5).
Её преимущества: нет выбросов токсичных веществ и углекислого газа, велика удельная эффективность. Недостатки: образуются крайне опасные радиоактивные отходы. Мощность атомных электростанций и производство электроэнергии на них постоянно растут. Сегодня в разных странах работают более 450 промышленных реакторов, производящих около 18 % мировой электроэнергии.

2.2. Альтернативные источники энергии

Как известно, запасы топлива не безграничны, да и стоит оно недешево. Именно поэтому многое из того, что использовалось ещё в древности, снова напоминает о себе.
В последнее время мы часто слышим такие фразы, как «альтернативная энергия», «возобновляемые источники энергетики», «малая энергетика». Так что же это такое? И что за альтернативные источники энергии? Альтернативными источниками энергии называют возобновляемые источники энергии, связывая это с некоторыми особенностями этого вида энергии – возможностью неограниченно восполняться. То есть ветер, солнце, вода, геотермальные источники, приливы-отливы. Малая энергетика может быть основана на каком угодно виде топлива, но станция не должна вырабатывать более 10 МВт электроэнергии.

2.2.1. Энергия воды
Вода, которую еще в древности использовали для совершения механической работы, до сих пор остается хорошим источником энергии - теперь уже электрической - для нашей промышленной цивилизации. Существуют традиционные и нетрадиционные способы получения энергии: сооружение крупных ГЭС, использование энергии приливов, морских течений, перепада температур. ГЭС и приливные электростанции считаются уже традиционными источниками энергии, в то время как энергию течений и волн только начинают использовать.
2.2.1.1. Энергия течений
Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м2 поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. куб.м/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. куб.м/с, скорость до 1,8 м/с). Различаются поверхностные и глубинные течения. Направления и скорости их самые различные. Наиболее мощные течения океана – потенциальный источник энергии. Современный уровень техники позволяет извлекать энергию течений при скорости потока более 1 м/с. При этом мощность от 1 м2 поперечного сечения потока составляет около 1 кВт. Перспективным представляется использование таких мощных течений, как Гольфстрим и Куросио, несущих соответственно 83 и 55 млн. м3/с воды со скоростью до 2 м/с, и Флоридского течения (30 млн. м3/с, скорость до 1,8 м/с). Создание энергетических установок больших размеров предстает угрозу судоходству. Преимуществом может быть то, что течения стабильны во времени и, как правило, в пространстве в отличие от приливов и волн. Технические решения сводятся к двум принципам: использование водяных колес и водяных парашютов. Программа "Кориолис" предусматривает установку во Флоридском проливе в 30 км восточнее города Майами 242 турбин с двумя рабочими колесами диаметром 168 м, вращающимися в противоположных направлениях. Пара рабочих колес размещается внутри полой камеры из алюминия, обеспечивающей плавучесть турбины. Для повышения эффективности лопасти колес предполагается сделать достаточно гибкими. Вся система "Кориолис" общей длиной 60 км будет ориентирована по основному потоку; ширина ее при расположении турбин в 22 ряда по 11 турбин в каждом составит 30 км. Агрегаты предполагается отбуксировать к месту установки и заглубить на 30 м, чтобы не препятствовать судоходству. Американские инженеры, считают, что строительство такого сооружения даже дешевле, чем возведение тепловых электростанций. Здесь не нужно возводить здание, прокладывать дороги, устраивать склады. Да и эксплуатационные расходы существенно меньше. Полезная мощность каждой турбины с учетом затрат на эксплуатацию и потерь при передаче на берег составит 43 МВт, что позволит удовлетворить потребности штата Флориды (США) на 10%. Первый опытный образец подобной турбины диаметром 1,5 м был испытан во Флоридском проливе. Разработан также проект турбины с рабочим колесом диаметром 12 м и мощностью 400 кВт.
2.2.1.2. Энергия волн
Идея получения электроэнергии от морских волн была изложена еще в 1935 г. советским ученым К.Э. Циолковским.
В основе работы волновых энергетических станций лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую.
Примером такой установки является «Нырок» профессора Солтера. Он представляет собой поплавок (рис.6), который поднимается и опускается вместе с волнами и при этом приводит в действие насос, который подаёт воду на гидротурбину, связанную с генератором электрического тока. Поплавки соединяются в длинную цепь и ставятся на якорь вдоль берегов, разумеется, так, чтобы не мешать судоходству. Даже довольно небольшие волны высотой 35 см заставляют турбину развивать более 2000 оборотов в минуту. «Нырок» может преобразовывать до 90 % энергии волн. Испытаны модели в 1/50 натуральной величины. Реальный "Нырок" должен быть размером с дом. Устройство не загрязняет окружающую среду, оно безопасно и долговечно.
Другой тип установки – что-то вроде стационарной микроэлектростанции. Внешне она похожа на ящик, установленный на опорах на небольшой глубине. Волны проникают в ящик и приводят в действие турбину. И здесь для работы достаточно совсем небольшого волнения моря. Даже волны высотой в 20 см зажигали лампочки общей мощностью 200 Вт.
В настоящее время волноэнергетические установки используются для энергопитания автономных буев, маяков, научных приборов. Попутно крупные волновые станции могут быть использованы для волнозащиты морских буровых платформ, открытых рейдов, марикультурных хозяйств. Началось промышленное использование волновой энергии. В мире уже около 400 маяков и навигационных буев получают питание от волновых установок. В Индии от волновой энергии работает плавучий маяк порта Мадрас. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт. Создание волновых электростанций определяется оптимальным выбором акватории океана с устойчивым запасом волновой энергии, эффективной конструкцией станции, в которую встроены устройства сглаживания неравномерного режима волнения. Считается, что эффективно волновые станции могут работать при использовании мощности около 80 кВт/м. Опыт эксплуатации существующих установок показал, что вырабатываемая ими электроэнергия пока в 2-3 раза дороже традиционной, но в будущем ожидается значительное снижение ее стоимости.
В волновых установках с пневматическими преобразователями под действием волн воздушный поток периодически изменяет свое направление на обратное. Для этих условий и разработана турбина Уэллса, ротор которой обладает выпрямляющим действием, сохраняя неизменным направление своего вращения при смене направления воздушного потока, следовательно, поддерживается неизменным и направление вращения генератора. Турбина нашла широкое применение в различных волноэнергетических установках.
Волновая энергетическая установка "Каймей" ("Морской свет") – самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями – построена в Японии в 1976 г. В своей работе она использует волны высотой до 6 – 10 м. На барже длиной 80 м, шириной 12 м и водоизмещением 500 т установлены 22 воздушных камеры, открытые снизу. Каждая пара камер работает на одну турбину Уэллса. Общая мощность установки 1000 кВт. Первые испытания были проведены в 1978 – 1979 гг. близ города Цуруока. Энергия передавалась на берег по подводному кабелю длиной около 3 км.
В 1985 г. в Норвегии в 46 км к северо-западу от города Берген построена промышленная волновая станция, состоящая из двух установок. Первая установка на острове Тофтесталлен работала по пневматическому принципу. Она представляла собой железобетонную камеру, заглубленную в скале; над ней была установлена стальная башня высотой 12,3 мм и диаметром 3,6 м. Входящие в камеру волны создавали изменение объема воздуха. Возникающий поток через систему клапанов приводил во вращение турбину и связанный с ней генератор мощностью 500 кВт, годовая выработка составляла 1,2 млн. кВт. ч. Зимним штормом в конце 1988 г. башня станции была разрушена. Разрабатывается проект новой башни из железобетона. Конструкция второй установки состоит из конусовидного канала в ущелье длиной около 170 м с бетонными стенками высотой 15 м и шириной в основании 55 м, входящего в резервуар между островами, отделенный от моря дамбами, и плотины с энергетической установкой. Волны, проходя по сужающемуся каналу, увеличивают свою высоту с 1,1 до 15 м и вливаются в резервуар, уровень которого на 3 м выше уровня моря. Из резервуара вода проходит через низконапорные гидротурбины мощностью 350 кВт. Станция ежегодно производит до 2 млн. кВт.•ч электроэнергии.
А в Великобритании разрабатывается оригинальная конструкция волновой энергетической установки типа "моллюск", в которой в качестве рабочих органов используются мягкие оболочки – камеры. В них находится воздух под давлением, несколько большим атмосферного. Накатом волн камеры сжимаются, образуется замкнутый воздушный поток из камер в каркас установки и обратно. На пути потока установлены воздушные турбины Уэллса с электрогенераторами. Сейчас создается опытная плавучая установка из 6 камер, укрепленных на каркасе длиной 120 м и высотой 8 м. Ожидаемая мощность 500 кВт. Дальнейшие разработки показали, что наибольший эффект дает расположение камер по кругу. В Шотландии на озере Лох-Несс была испытана установка, состоящая из 12 камер и 8 турбин. Теоретическая мощность такой установки до 1200 кВт. Впервые конструкция волнового плота была запатентована в СССР еще в 1926 г. В 1978 г. в Великобритании проводились испытания опытных моделей океанских электростанций, в основе которых лежит аналогичное решение. Волновой плот Коккерела состоит из шарнирно соединенных секций, перемещение которых относительно друг друга передается насосам с электрогенераторами. Вся конструкция удерживается на месте якорями. Трехсекционный волновой плот Коккерела длиной 100 м, шириной 50 м и высотой 10 м может дать мощность до 2 тыс. кВт. В СССР модель волнового плота испытывалась в 70-х гг. на Черном море. Она имела длину 12 м, ширину поплавков 0,4 м. На волнах высотой 0,5 м и длиной 10 – 15 м установка развивала мощность 150 кВт. Проект, известный под названием "утка Солтера", представляет собой преобразователь волновой энергии. Рабочей конструкцией является поплавок ("утка"), профиль которого рассчитан по законам гидродинамики. В проекте предусматривается монтаж большого количества крупных поплавков, последовательно укрепленных на общем валу. Под действием волн поплавки приходят в движение и возвращаются в исходное положение силой собственного веса. При этом приводятся в действие насосы внутри вала, заполненного специально подготовленной водой. Через систему труб различного диаметра создается разность давления, приводящая в движение турбины, установленные между поплавками и поднятые над поверхностью моря. Вырабатываемая электроэнергия передается по подводному кабелю. Для более эффективного распределения нагрузок на валу следует устанавливать 20 – 30 поплавков. В 1978 г. была испытана модель установки, состоявшая из 20-ти поплавков диаметром 1 м. Выработанная мощность составили 10 кВт. Разработан проект более мощной установки из 20 – 30 поплавков диаметром 15 м, укрепленных на валу, длиной 1200 м. Предполагаемая мощность установки 45 тыс. кВт. Подобные системы, установленные у западных берегов Британских островов, могут обеспечить потребности Великобритании в электроэнергии.
Комбинированная установка Перанио (рис. 7) предусматривает использование энергии волн и ветра. Волновая часть состоит из наклонной плоскости, по которой набегающие волны перекатываются в верхний резервуар. Затем вода из резервуара идет на низконапорную турбину, вращающую электрогенератор или компрессор для сжатия воздуха, или рабочее колесо насоса, подающего воду в накопительную емкость. На этом же плавучем понтоне или судне, где смонтирована волновая часть, располагается и энергетическая установка. Такая установка при высоте волн около 2 метров и скорости ветра выше 0,5 м/с. способна вырабатывать 1,75 МВт на каждые 100 м воды, попавшей в резервуар (естественно, при росте скорости ветра мощность будет расти).
В это трудно поверить, но уже освоено производство теплогенератора, который вырабатывает энергии в 1,5 раза больше, чем потребляет. Речь идет об изобретенных академиком Ю.С. Потаповым теплогенераторах, позволяющих высвобождать внутреннюю энергию воды путем ее вращения. Это устройство может согревать воду в батареях водяного отопления без сжигания топлива. Естественно, оно потребляет электроэнергию, но тепловой энергии вырабатывает в полтора-два раза больше, чем потребляет электрической. Да и ту оно может потреблять в ночное время, когда тариф ниже дневного, а днем выдавать запасенное за ночь тепло. Устройство достаточно простое и включает в себя водяной насос, электромотор, а также вихревую трубу. Схема вихревого теплогенератора приведена на рисунке 8. Установка была запатентована еще в 1994 году на Украине, сегодня она также запатентована в России и ряде других стран, а серийное производство было освоено в 1995 году.

Новые технологии на страже водосбережения

 »  »  » 
Современное состояние науки
Оптическая передача сигнала
Фотографирование
История многогранников
Поиск