Основные и нетрадиционные способы получения электроэнергии

Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики, электрификации. Для повыВншения производительности труда первостепенное значение имеет механизация и автоматизация проВнизводственных процессов, замена человеческого труВнда машинным. Но подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации (оборудоваВнние, приборы, ЭВМ) имеет электрическую основу. Особенно широкое применение электрическая энергия получила для привода в действие электриВнческих моторов. Мощность электрических машин (в зависимости от их назначения) различна: от доВнлей ватта (микродвигатели, применяемые во многих отраслях техники и в бытовых изделиях) до огромВнных величин, превышающих миллион киловатт (генераторы электростанций).

Человечеству электроэнергия нужна, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом. Вместе с тем запасы традиВнционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива - урана и тория, из которого можно получать в реакторах-размножителях плутоний. Поэтому важно на сегодняшний день найти выгодные источники электроэнергии, причем выгодные не только с точки зрения дешевизны топлива, но и с точки зрения простоты конструкций, эксплуатации, дешевизны материалов, необходимых для постройки станции, долговечности станций.

Данный реферат является кратким, обзором современного состояния энергоресурсов человечества. В работе рассмотрены традиционные источники электрической энергии. Цель работы тАУ прежде всего ознакомиться с современным положением дел в этой необычайно широкой проблематике.

К традиционным источникам в перВнвую очередь относятся: тепловая, атомная и энергия потка воды.

Российская энергетика сегодня - это 600 тепловых, 100 гидравлических, 9 атомных электростанций. Есть, конечно, несколько электростанций использующих в качестве первичного источника солнечную, ветровую, гидротермальную, приливную энергию, но доля производимой ими энергии очень мала по сравнению с тепловыми, атомными и гидравлическими станциями.

I. Основные способы получения энергии.

1. Тепловые электростанции.

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатываюВнщая электрическую энергию в результате преВнобразования тепловой энергии, выделяюВнщейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в кон. 19 в и получили преимущественное распространение. В сер. 70-х гг. 20 в. ТЭС тАФ основной вид элекВнтрической станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: в России и США св. 80% (1975), в мире около 76% (1973).

Около 75% всей электроэнергии России производится на тепловых электростанциях. Большинство городов России снабжаются именно ТЭС. Часто в городах используются ТЭЦ - теплоэлектроцентрали, производящие не только электроэнергию, но и тепло в виде горячей воды. Такая система является довольно-таки непрактичной т.к. в отличие от электрокабеля надежность теплотрасс чрезвычайно низка на больших расстояниях, эффективность централизованного теплоснабжения сильно снижается, вследствие уменьшения температуры теплоносителя. Подсчитано, что при протяженности теплотрасс более 20 км (типичная ситуация для большинства городов) установка электрического бойлера в одельно стоящем доме становится экономически выгодна.

На тепловых электростанциях преобразуется химическая энергия топлива сначала в механическую, а затем в электрическую.

Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут. Тепловые электрические станВнции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектроВнцентрали (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электроВнстанций (ГРЭС).

Простейшая принципиальная схема КЭС, работающей на угле, представлена на рис. Уголь подается в топливный бункер 1, а из него тАФ в дробильную установку 2, где превращаВнется в пыль. Угольная пыль поступает в топку парогенератора (парового котла) 3, имеющего систему трубок, в которых цирВнкулирует химически очищенная вода, называемая питательной. В котле вода нагревается, испаряется, а образовавшийся насыВнщенный пар доводится до температуры 400тАФ650В°С и под давВнлением 3тАФ24 МПа поступает по паропроводу в паровую турбиВнну 4. Параметры пара зависят от мощности агрегатов.

Тепловые конденсационВнные электростанции имеВнют невысокий кпд (30тАФ 40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора.

Сооружать КЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этом потребители электроэнергии могут находиться на значиВнтельном расстоянии от станВнции.

Теплоэлектроцентраль отлиВнчается от конденсационной станции установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затем поступает в конденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление (на рис. штриховая лиВнния), отбирается от промежуточной ступени турбины и испольВнзуется для теплоснабжения. Конденсат насосом 7 через деаэраВнтор 8 и далее питательным насосом 9 подается в парогенератор. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприяВнтий в тепловой энергии.

Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60тАФ70%.

Такие станции строят обычно вблизи потребителей тАФ проВнмышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают на привозном топливе.

Рассмотренные тепловые электростанции по виду основного теплового агрегата тАФ паровой турбины тАФ относятся к паротурВнбинным станциям. Значительно меньшее распространение полуВнчили тепловые станции с газотурбинными (ГТУ), парогазовыми (ПГУ) и дизельными установками.

Наиболее экономичными явВнляются крупные тепловые пароВнтурбинные электростанции (сокраВнщенно ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны используют в каВнчестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот грамВнмов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинеВнтическая энергия струй пара переВндается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора.

Современные паровые турбины для ТЭС тАФ весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные машины с большим ресурсом работы. Их мощность в одновальном исполнении достигает 1 млн. 200 тыс. кВт, и это не является пределом. Такие машины всегда бывают многоступенчатыми, т. е. имеют обычВнно несколько десятков дисков с рабочими лопатВнками и такое же

количество, перед каждым диском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление и температура пара постепенно снижаются.

Из курса физики изВнвестно, что КПД тепловых двигаВнтелей увеличивается с ростом наВнчальной температуры рабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру тАФ почти до 550 В°С и давление тАФ до 25 МПа. КоэффиВнциент полезного действия ТЭС достиВнгает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отрабоВнтанным паром.

По мнению ученых в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах. Но струкВнтура ее изменится. Должно сократиться использование нефти. СуВнщественно возрастет производство электроэнергии на атомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантских запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, КансВнко-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в стране намного превосходят запасы в других странах.

К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут за сотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допустить хищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запаВнсов топлива может хватить на века.

2. Гидроэлектростанции.

Гидроэлектрическая станция, гидроэлектростанция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидВнротехнических сооружений, обеспечиВнвающих необходимую концентрацию поВнтока воды и создание напора, и энергетического. оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.

По схеме использования водных реВнсурсов и концентрации напоров ГЭС обычВнно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безВннапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные. В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, пеВнрегораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке реки площадь затоплеВнния уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоВнту плотины. Русловые и приплотинные ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.

В состав сооружений русловой ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС и воВндосбросные сооружения (рис. 4). Состав гидротехнических сооружений зависит от выВнсоты напора и установленной мощности. У русловой ГЭС здание с размещенными в нём гидроагрегатами служит продолжеВннием плотины и вместе с ней создаёт напорный фронт. При этом с одной стоВнроны к зданию ГЭС примыкает верхний бьеф, а с другой тАФ нижний бьеф. ПодВнводящие спиральные камеры гидротурбин своими входными сечениями закладыВнваются под уровнем верхнего бьефа, выходные же сечения отсасывающих труб погружены под уровнем нижнего бьефа.

В соответствии с назначением гидроузла в его состав могут входить судоходные шлюзы или судоподъёмник, рыбопроВнпускные сооружения, водозаборные сооВнружения для ирригации и водоснабжеВнния. В русловых ГЭС иногда единственным сооружением, пропускающим воду, является здание ГЭС. В этих случаях поВнлезно используемая вода последовательно проходит входное сечение с мусорозадерживающими решётками, спиральную камеру, гидротурбину, отсасывающую труВнбу, а по специальным водоводам между соседВнними турбинными камерами произвоВндится сброс паводковых расходов реки. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30тАФ40 м, к простейшим русловым ГЭС относятся также ранее строившиеся сельВнские ГЭС небольшой мощности. На крупВнных равнинных реках основное русло переВнкрывается земляной плотиной, к которой примыкает бетонная водосливная плоВнтина и сооружается здание ГЭС. Такая компоновка типична для многих отечественных ГЭС на больших равнинных реках. ВолжВнская ГЭС им. 22-го съезда КПССтАФ наиболее крупная среди станций руслоВнвого типа.

При более высоких напорах оказываетВнся нецелесообразным передавать на здаВнние ГЭС гидростатичное давление воды. В этом случае применяется тип плотиной ГЭС, у которой напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС располагается за плоВнтиной, примыкает к нижнему бьефу. В состав гидравлической трассы межВнду верхним и нижним бьефом ГЭС такоВнго типа входят глубинный водоприёмник с мусорозадерживающей решёткой, турВнбинный водовод, спиральная камера, гидротурбина, отсасывающая труба. В качестве дополнит, сооружений в состав узла могут входить судоходные сооружеВнния и рыбоходы, а также дополнительные водоВнсбросы Примером подобного типа станций на многоводной реке служит Братская ГЭС на реке Ангара.

Несмотря на снижение доли ГЭС в общей выработке, абсолютные значения производства электроэнергии и мощности ГЭС непрерывно растут вследствие строительства новых крупных электростанций. В 1969 в мире насчитывалось свыше 50 дейВнствующих и строящихся ГЭС единичной мощностью 1000 Мвт и выше, причём 16 из них тАФ на территории бывшего Советского Союза.

Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами тАФ их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низВнкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружеВннию ГЭС, несмотря на значительные, удельные капиталовложения на 1 квт установленВнной мощности и продолжительные сроки строиВнтельства, придавалось и придаётся больВншое значение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.

3. Атомные электростанции.

Атомная электростанция (АЭС) - электростанция, в которой атомная (ядерВнная) энергия преобразуется в электВнрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяВнется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычВнных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отлиВнчие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горюВнчем (в основе ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu). Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетвореВнния быстро растущих потребностей в топВнливе. Кроме того, необходимо учитыВнвать всё увеличивающийся объём потребВнления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом теплоВнвых электростанций. Несмотря на открыВнтие новых месторождений органического топВнлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

Первая в мире АЭС опытно-промышленного наВнзначения (рис. 1) мощностью 5 Мвт была пущена в СССР 27 июня 1954 г. в г. Обнинске. До этого энергия атомного ядра использовалась в военных цеВнлях. Пуск первой АЭС ознаменовал отВнкрытие нового направления в энергетиВнке, получившего признание на 1-й Международной научно-технической конференции по мирному использованию атомной энерВнгии (август 1955, Женева).

Принципиальная схема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение, приведена на рис. 2. Тепло, выделяется в активной зоне реактора, теплоносителем, вбирается водой (теплоносителем 1-го контура), которая прокачивается через реактор циркуляционным насосом 2. Нагретая вода из реактора поступав в теплообменник (парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образованный пар поступает в турбину 4.

Наиболее часто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах 1) водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя; 2) графито-водные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем; 3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя 4) графито-газовые с газовым теплоносиВнтелем и графитовым замедлителем.

В России строят главным образом графито-водные и водо-водяные реакторы. На АЭС США наибольшее распространение получили водо-водяные реакторы. Графито-газоВнвые реакторы применяются в Англии. В атомной энергетике Канады преоблаВндают АЭС с тяжеловодными реакторами.

В зависимости от вида и агрегатного соВнстояния теплоносителя создается тот или иной термодинамический цикл АЭС. Выбор верхВнней температурной границы термодинамического цикла определяется максимально допустиВнмой температурой оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ), содержащих ядерное гоВнрючее, допустимой темп-рой собственно ядерВнного горючего, а также свойствами теплоносиВнтеля, принятого для данного типа реактора. На АЭС тепловой реактор, которой охлаждаетВнся водой, обычно пользуются низкотемпераВнтурными паровыми циклами. Реакторы с газовым теплоносителем позволяют применять относительно более экономичные циклы водяного пара с повышенными начальными давВнлением и температурой. Тепловая схема АЭС в этих двух случаях выполняется 2-контурной: в 1-м контуре циркулирует теплоноситель, 2-й контур тАФ пароводяной. При реакторах с кипящим водяным или высокотемпературным газовым теплоносителем возможна одноВнконтурная тепловая АЭС. В кипящих реакВнторах вода кипит в активной зоне, полученная пароводяная смесь сепарируется, и насыщенный пар направляется или непосредственно в турбину, или предварительно возвращается в активную зону для перегрева.(рис. 3).

В высокотемпературных графито-газовых реакторах возможно применение обычного газотурбинного цикла. Реактор в этом случае выполняет роль камеры сгоВнрания.

При работе реактора концентрация деВнлящихся изотопов в ядерном топливе постепенно уменьшается, и топливо выгорает. Поэтому со временем их замеВнняют свежими. Ядерное горючее переВнзагружают с помощью механизмов и приВнспособлений с дистанционным управлением. Отработавшее топливо переносят в басВнсейн выдержки, а затем направляют на переработку.

К реактору и обслуживающим его сиВнстемам относятся: собственно реактор с биологической защитой, теплообменниВнки, насосы или газодувные установки, осуществляющие циркуляцию теплоносиВнтеля; трубопроводы и арматура циркуляции контура; устройства для перезагрузВнки ядерного горючего; системы спец. вентиляции, аварийного расхолаживания и др.

В зависимости от конструктивного исВнполнения реакторы имеют отличительные, осоВнбенности: в корпусных реакторах топливо и замедлитель расположены внутри корпуВнса, несущего полное давление теплоноВнсителя; в канальных реакторах топливо, охлаждаемые теплоносителем, устанавлиВнваются в спец. трубах-каналах, пронизыВнвающих замедлитель, заключённый в тонкостенный кожух. Такие реакторы применяются в России (Сибирская, Белоярская АЭС и др.),

Для предохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор окружают биологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода, песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностью гермеВнтичным. Предусматривается система контВнроля мест возможной утечки теплоносиВнтеля, принимают меры, чтобы появление не плотностей и разрывов контура не приводило к радиоактивным выбросам и загрязнению помещений АЭС и окружаюВнщей местности. Оборудование реакторноВнго контура обычно устанавливают в герметичных боксах, которые отделены от остальных помещений АЭС биологической защитой и при работе реактора не обслуВнживаются, Радиоактивный воздух и неВнбольшое количество паров теплоносителя, обусловленное наличием протечек из контура, удаляют из необслуживаемых помещений АЭС спец. системой вентиляции, в которой для исключения возможноВнсти загрязнения атмосферы предусмотВнрены очистные фильтры и газгольдеры выдержки. За выполнением правил раВндиационной безопасности персоналом АЭС слеВндит служба дозиметрического контроля.

При авариях в системе охлаждения реактора для исключения перегрева и нарушения герметичности оболочек ТВЭЛов предусматривают быстрое (в течение несколько секунд) глушение ядерВнной реакции; аварийная система расхоВнлаживания имеет автономные источники питания.

Наличие биологической защиты, систем специальной вентиляции и аварийного расхоВнлаживания и службы дозиметрического контроВнля позволяет полностью обезопасить обслуживающий персонал АЭС от вредВнных воздействий радиоактивного облуВнчения.

Оборудование машинного зала АЭС аналогично оборудованию машинного зала ТЭС. Отличительная, особенность больВншинства АЭС тАФ использование пара сравнительно низких параметров, наВнсыщенного или слабо перегретого.

При этом для исключения эрозионного повреждения лопаток последних ступеней турбины частицами влаги, содержащейся в пару, в турбине устанавливают сепариВнрующие устройства. Иногда необходимо применение выносных сепараторов и промежуточных перегревателей пара. В связи с тем, что теплоноситель и соВндержащиеся в нём примеси при прохожВндении через активную зону реактора активируются, конструктивное решение оборудования машинного зала и системы охлаждения конденсатора турбины одВнноконтурных АЭС должно полностью исключать возможность утечки теплоноВнсителя. На двухконтурных АЭС с высоВнкими параметрами пара подобные требоВнвания к оборудованию машинного зала не предъявляются.

В число специфичных требований к компоновке оборудования АЭС входят: минимально возможная протяжённость коммуникаций, связанных с радиоакВнтивными средами, повышенная жёстВнкость фундаментов и несущих констВнрукций реактора, надёжная организаВнция вентиляции помещений. В реакторном зале размещены: реактор с биологической защитой, запасные ТВЭЛы и аппаратура контроля. АЭС скомпонована по блочному принципу реактортАФтурбина. В машинном зале расВнположены турбогенераторы и обслужиВнвающие их системы. Между машинным и реакторным залами размещены вспомогательные оборудование и системы управлеВнния станцией.

В большинстве промышленно развитых стран (Россия, США, Англия, ФранВнция, Канада, ФРГ, Япония, ГДР и др.) мощность действующих и строящихся АЭС к 1980 доведена до десятков Гвт. По данным Международного атомного агентства ООН, опубликованВнным в 1967, установленная мощность всех АЭС в мире к 1980 достигла 300 Гвт.

За годы, прошедшие со времени пуска в эксплуатацию перВнвой АЭС, было создано несколько конструкций ядерных реакВнторов, на основе которых началось широкое развитие атомной энергетики в нашей стране.

АЭС являющиеся наиболее современным видом электростанций, имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций: при нормальных условиях функционирования они абсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику сырья и соответственно могут быть размещены практически везде, новые энергоблоки имеют мощность практически равную мощности средней ГЭС, однако коэффициент использования установленной мощности на АЭС (80%) значительно превышает этот показатель у ГЭС или ТЭС. Об экономичности и эффективности атомных электростанций может говорить тот факт, что из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, скольВнко при сжигании примерно 3000 т каменного угля.

Значительных недостатков АЭС при нормальных условиях функционирования практически не имеют. Однако нельзя не заметить опасность АЭС при возможных форсмажорных обстоятельствах: землетрясениях, ураганах, и т. п. - здесь старые модели энергоблоков представляют потенциальную опасность радиационного заражения территорий из-за неконтролируемого перегрева реактора.

II. Нетрадиционные источники энергии

Ученые предостерегают: разведанных запасов органического топлива при нынешних темпах роста энергопотребления хватит всего на 70-130 лет. Конечно, можно перейти и на другие невозобновляемые источники энергии. Например, ученые уже многие годы пытаются освоить управляемый термоядерный синтез..

1. Ветровая энергия

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры тАУ от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории тАУ от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ГВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20тАУ30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м² (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м².

Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75тАУ95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30тАУ40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15тАУ30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину тАУ генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.

В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сеть электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г. Однако после поломки ротора опыт прервался тАУ ротор не стали ремонтировать, поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и в европейских странах.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. Американец Генри Клюз в штате Мэн построил две мачты и укрепил на них ветродвигатели с генераторами. 20 аккумулятором по 6 В и 60 по 2 В служат ему в безветренную погоду, а в качестве резерва он имеет бензиновый движок. За месяц Клюз получает от своих ветроэлектрических агрегатов 250 кВтВ·ч энергии; этого ему хватает для освещения всего хозяйства, питания бытовой аппаратуры (телевизора, проигрывателя, пылесоса, электрической пишущей машинки), а также для водяного насоса и хорошо оборудованной мастерской.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие тАУ на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.

В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 50 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

При использовании ветра возникает серьезная проВнблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаВнток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, котоВнрый накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие воВндяную турбину и генератор постоянного или переменВнного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетаВнния сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. ЭлекВнтрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кисВнлород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

2. Геотермальная энергия

Энергетика земли тАУ геотермальная энергетика базируется на использоваВннии природной теплоты Земли. Верхняя часть земной коВнры имеет термический градиент, равный 20тАУ30 В°С в расВнчете на 1 км глубины, и, коВнличество теплоты, содержащейся в земной коре до глуВнбины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6^.10²⁶ Дж. Эти ресурсы эквивалентВнны теплосодержанию 4,6В·10¹⁶ т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6^.10⁹ Дж/т), что боВнлее чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресурВнсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной слишком рассеяна, чтоВнбы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.

С геологической точки зрения геотермальные энергоВнресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком.

К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, коВнторые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера. Образование таВнких систем связано с наличием источника теплоты - гоВнрячей или расплавленной скальной породой, располоВнженной относительно близко к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении гоВнрячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепаратоВнра, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извлеВнчением из нее минералов.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двухВнконтурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовавВншийся в результате кипения этой жидкости, используетВнся для привода турбины. Отработавший пар конденсиВнруется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкн
утый цикл.

Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся магВнма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны заВнстывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скальВнные породы). Получение геотермальной энергии непоВнсредственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматриВнвают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещиноВнватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагреваВнется, извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотренВнных ранее способов.

Геотермальные системы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокими значениями тепловоВнго потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из скваВнжин, может достигать 100 В°С.

3. Тепловая энергия океана

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны,

Вместе с этим смотрят:

11-этажный жилой дом с мансардой

14-этажный 84-квартирный жилой дом

16-этажный жилой дом с монолитным каркасом в г. Краснодаре

180-квартирный жилой дом в г. Тихорецке

2-этажный 3-секционный 18-квартирный жилой дом в г. Мирном