Виды электростанций

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Классификация электрических станций. Способы производства электрической и тепловой энергии

Электрической станцией называют промышленное предприятие, которое служит для производства электрической энергии, а иногда одновременно и для выработки тепловой энергии. Электрические станции отличаются друг от друга своим назначением, родом вырабатываемого тока, видом используемого топлива или энергии и типом первичных машин.

В зависимости от вида используемого топлива или энергии различают тепловые электростанции (ТЭС и ГРЭС), гидроэлектрические (ГЭС), атомные (АЭС). По типу первичных машин электростанции делят на станции с паровыми, гидравлическими, газовыми турбинами, атомными реакторами, двигателями внутреннего сгорания. Станции с паровыми турбинами могут быть конденсационными (КЭС) и теплофикационными (ТЭЦ).

Производство эл.энергии.

В тепловых электростанциях в топках котлов сжигается уголь, нефть или природный газ. Получаемая при этом теплота превращает находящуюся в котлах воду в пар, приводящий во вращение роторы паровых турбин и соединенные с ними роторы генераторов, в которых механическая энергия турбин преобразуется в электрическую.

На атомных электростанциях процессы преобразования энергии пара в механическую, а затем в электрическую энергию аналогичны процессам, происходящим в тепловых электростанциях, и отличаются от последних тем, что в них «топливом» служат радиоактивные элементы или их изотопы, выделяющие теплоту в процессе реакции распада

На гидроэлектростанциях энергия потока воды превращается в электрическую энергию. ядерный реактор энергия газотурбинный

Существуют также ветро-, гелиоэлектростанции, геотермальные, приливные и другие электростанции, преобразующие в электрическую энергию соответственно перемещающиеся потоки воздуха, тепло солнечных лучей и недр Земли, энергию морских и океанических приливов.

Паротурбинные тепловые электростанции подразделяют на конденсационные и теплофикационные. На конденсационных станциях тепловая энергия полностью преобразуется в электрическую, а на теплофикационных, называемых теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), тепловая энергия частично превращается в электрическую, а в основном расходуется на снабжение промышленных предприятий и городов паром и горячей водой. Поэтому ТЭЦ сооружают вблизи потребителей тепловой энергии.

Производство тепловой.

Преобразование различных видов энергии (химической, излучения, электрической и др.) в тепловую производится в технологических устройствах путем создания условий, при которых это преобразование протекает с максимальной термодинамически возможной полнотой. При этом образуется рабочее тело -- носитель тепловой энергии(вода,пар), с помощью которого тепловая энергия транс-портируется к потребителю и реализуется в виде теплоты заданного процесса. Тепловую получают путем преобразования в нее: химической энергии органического топлива; энергии, выделяемой при расщеплении ядерного горючего; электрической энергии; энергии солнечного излучения; геотермальной и тепловой энергии. Имеются следующие методы производства тепловой энергии: 1) метод сжигания органического топлива в окислительной среде, в основе которого лежат экзотермические химические реакции, сопровождающиеся обра-зованием газообразных продуктов реакции с высокой температурой, теплота от которых передается другому теплоносителю (воде пли водяному пару), более удобному для дальнейшего использования; 2) метод, основанный на самоуправляющейся цепной ядерной реакции деления тяжелых ядер трансурановых элементов под действием нейтронов с последующим преобразованием образующейся ядерной энергии в тепловую энергию теплоносителя, вводимого в активную зону реактора; таким теплоносителем обычно является вода или водяной пар, в перспективе им может стать и гелий; 3) метод преобразования электрической энергии в тепловую путем разогрева нагревателя с высоким электросопротивлением с последующей передачей теплоты от этого нагревателя рабочему телу (газу пли жидкости) путем теплоперено-са; 4) метод преобразования солнечной энергии б тепло-вую в специальных устройствах, воспринимающих энергию Солнца, -- гелиоприемниках с последующей передачей от них теплоты рабочему телу -- воде или воздуху; 5) метод, основанный на передаче теплоты от геотермальных вод, в теплообменнике к рабочему телу, нагревае-мому за счет тепловой энергии этих вод до заданных параметров и направляемому потребителю; 6) метод преобразования тепловой энергии теплоносителя с низким энергетическим потенциалом в высокопотенциальную тепловую энергию другого теплоносителя с затратами некоторого количества других видов энергии, подводимых извне (например, электроэнергии в тепловых насосах и т. д.). Эффективность и область использования каждого из методов определяются совершенством технологической схемы преобразования энергии, стоимостью исходного источника энергии, а также параметрами, которые должен иметь теплоноситель, направляемый потребителю.

2. Тепловые конденсационные электрические станции

Теплоэлектроцентрали. Газотурбинные установки. Термодинамический цикл газотурбинной установки. Парогазовые установки. Двухвальные турбогенераторы.

Тепловые конденсационные электрические станции преобразовывают энергию органического топлива вначале в механическую, а затем в электрическую. Механическую энергию упорядоченного вращения вала получают с помощью тепловых двигателей, преобразующих энергию неупорядоченного движения молекул пара или газа.

Все тепловые двигатели подразделяются:

по виду используемого рабочего тела - пар или газ;

по способу преобразования тепловой энергии в механическую-- поршневой или роторный. В поршневом способе для преобразования используется потенциальная энергия рабочего тела, получаемая при его нагревании. В роторном способе используется кинетическая энергия движущихся с большой скоростью частиц рабочего тела.

В современных паровых установках, составляющих основу энергетики, используют пар при температуре-- около 600°С и давлении 30 МПа. Для охлаждения рабочего тела (пара) обычно применяют холодную воду, которая понижает его температуру до 30-- 40°С. При этом давление пара резко падает.

Основные процессы теплового цикла паровых установок, как было показано ранее, происходят в следующих элементах: в парогенераторах -- подвод теплоты, в турбинах -- расширение пара, в конденсаторах-- отвод теплоты, в турбинах -- расширение пара, в конденсаторах -- охлаждение. С помощью насосов высокого давления производится сжатие, при котором конденсат нагнетается в парогенератор.

По конструктивному выполнению парогенераторы подразделяют на барабанные и прямоточные

Теплоэлектроцентрали.

Производство электрической энергии на ТЭС сопровождается большими потерями теплоты. В то же время многим отраслям промышленности таким, как химическая, текстильная, пищевая, металлургическая, и ряду других теплота необходима для технологических целей. Для отопления жилых зданий требуется в значительном количестве горячая вода. В этих условиях естественно использовать пар, получаемый в парогенераторах на тепловых станциях, как для выработки электроэнергии, так и для теплофикации потребителей. Электростанции, выполняющие такие функции, называются теплоэлектроцентралями.

Отработанный в турбинах конденсационных станций пар имеет температуру 25--30°С, поэтому он не пригоден для использования в технологических процессах на предприятиях.» Во многих производствах требуется пар, име-ющий давление 0,5--0,9 МПа, а иногда и до 2 МПа длят приведения в движение прессов, паровых молотов, турбин. Иногда требуется горячая вода, нагретая до температуры 70--150°С.

Для получения пара с необходимыми для потребителей параметрами используют специальные турбины с промежуточными отборами пара. В таких турбинах, после того как часть энергии пара израсходуется на при-ведение в движение турбины и параметры его понизятся, производится отбор некоторой доли пара для потребителей. Оставшаяся доля пара далее обычным способом используется в турбине и затем поступает в конденсатор. Поскольку для части пара перепад давления оказывается меньшим, несколько возрастает расход топлива на выработку электроэнергии. Однако такое увеличение расхода пара на выработку электроэнергии на ТЭЦ и связанное с этим увеличение расхода топлива в конечном счете оказываются меньшими по сравнению с расходом топлива в случае раздельной выработки электроэнергии и выработки ,теплоты на небольших котельных установках.

Централизованное теплоснабжение на базе комбинированной выработки теплоты и электрической энергии имеет большие преимущества: обеспечивает основную долю потребности в теплоте промышленного и жилищно-коммунального хозяйства, уменьшает расходование топливно-энергетических ресурсов, а также материальных, и трудовых затрат в системах теплоснабжения.

3. Газотурбинные установки

На отечественных ТЭС начинают широко использовать газотурбинные установки (ГТУ). В качестве рабочего тела в них используется смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. В ГТУ преобразуется теплота газов в кинетическую энергию вращения ротора турбины.

По конструктивному исполнению и принципу преобразования энергии газовые турбины не отличаются от паровых. Особенно широкое распространение газовые турбины получили на транспорте. Современные газовые турбины в основном работают на жидком топливе, однако кроме жидкого топлива может использоваться газообразное: как естественный природный горючий газ, так и искусственный газ, получаемый особым сжиганием твердых топлив любых видов.

(Работа газотурбинной установки осуществляется следующим образом. В камеру сгорания / подается жидкое или газообразное топливо и воздух (рис. 2.14, с). Получающиеся в камере сгорания газы 2 с высокой температурой и под большим давлением направляются на рабочие лопатки турбины 3. Турбина вращает электрический генератор 4 и компрессор 5, необходимый для подачи под давлением воздуха 6 в ка-меру сгорания. Сжатый в компрессоре воздух перед подачей в камеру сгорания подогревается в регенераторе 7 отработанными в турбине горючими газами 8. Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания топлива в камере сгорания

Парогазовые установки

Совмещение газо- и паротурбинных агрегатов таким образом, что в них происходит совместное использование теплоты, получаемой при сжигании топлива, позволяет на 8--10% повысить экономичность работы установки, называемой парогазовой, и снизить ее стоимость на 25%. Парогазовые установки, использующие два вида рабочего тела - пар и газ - относятся к бинарным. В них часть теплоты, получаемой при сжигания топлива в парогенераторе, расходуется на образование пара, который затем направляется в турбину (рис. 2.15), Охлажденные до температуры 650--700°С газы попадают на рабочие лопатки газовой турбины. Отработанные в турбине газы используются для подогрева питательной воды, что позволяет уменьшить расход топлива и повысить КПД всей установки, который может достичь примерно 44%,

Газотурбинные установки могут работать только на, жидком или газообразном топливе, так как продукты сгорания твердого топлива, содержащие золу и механические примеси, оказывают вредное влияние на лопатки газовой турбины. В газотурбинных установках, так же как и в обычных паросиловых установках, тепловая энергия преобразуется в механическую в турбинах и механическая энергия -- в электрическую в генераторах.

Двухвальные турбоагрегаты.

Помимо одновальных турбин известны двухзальные паровые турбины большой мощности (рис. 1.10). В установках этого типа пар, пройдя через ЦВД первого вала, направляется сначала в ПСД этого же вала, а затем в ЦСД второго вала. Пройдя ЦСД каждого из валов, пар поступает в соединенные с ними ЦНД. Каждый вал приводит в действие один генератор. Соотношение мощностей генераторов первого и второго валов в ряде случаев 100:60%

Предвключенные турбины устанавливаются относительно редко при модернизации теплосиловых установок путем надстройки (рис. 1,11, б). При этом остаются в работе действующие турбины низкого давления, котлы низкого давления демонтируются, устанавливаются новые котлы более высокого давления, пар из которых проходит к ранее установленным турбинам через предвключенные турбины.

4. Гидравлические электрические станции. Гидроаккумулирующие электрические станции. Приливные электрические станции. Волновые электростанции. Малые и микро ГЭС

Гидравлические электрические станции.

Основой изучения работы ГЭС, преобразующих энергию воды в электрическую энергию, является наука, называемая гидравликой; она включает в себя гидростатику, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Мощность потока воды, протекающего через некоторое сечение -- створ, определяется расходом воды Q, высотой между уровнем воды в верхнем по течению бассейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по течению бассейне (нижнем бьефе) в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассейнов называется напором. Мощность потока в створе (кВт) можно определить посредством расхода (м3/с) и напора (м): P=9,81QHз

В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если используется динамическое давление воды, и реактивной, если используется статическое давление при реактивном эффекте.

Гидроаккумулирующие электрические станции

Производство электроэнергии на электрических станциях и ее потребление различными приемниками представляют собой процессы, взаимосвязанные таким образом, что в силу физических закономерностей мощность потребления электроэнергии в какой-либо момент времени должна быть равна генерируемой мощности.

Периодические включения и отключения ТЭС не позволяют решить задачу регулирования мощности из-за большой продолжительности этих процессов.

Регулирование мощности ГЭС производится следующим образом. В периоды времени, когда в системе имеются провалы нагрузки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет водохранилище. При этом запасается энергия. С наступлением пиков включаются агрегаты станции и вырабатывается энергия.

Задачу снятия пиков решают гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), работающие следующим образом. В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединенных системах минимальна, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы режиме непродолжительных «пиков» -- максимальных значений на-грузки-- ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует запасенную в верхнем водохранилище воду.

Приливные электрические станции

Приливные электрические станции (ПЭС) выгодно отличаются от ГЭС тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит от многочисленных погодных условий, определяемых случайными факторами.

Наиболее существенный недостаток ПЭС -- неравномерность их работы. Неравномерность приливной энергии в течение лунных суток и лунного месяца, отличающихся от солнечных, не позволяет систематически использовать ее в периоды максимального потребления в системах. Можно компенсировать неравномерность ра-боты ПЭС, совместив ее с ГАЭС. Также удачно ПЭС может сочетаться с речной ГЭС, имеющей водохранилище. ПЭС работают в условиях быстрого изменения напора, поэтому их турбины должны иметь высокие КПД при переменных напорах. В настоящее время создана достаточно совершенная и компактная горизонтальная турбина двойного действия. Электрический генератор власть деталей турбины заключены в водонепроницаемую капсулу и весь гидроагрегат погружен в воду.

Волновые электростанции

Ресурсы морей и океанов можно разбить на три группы:

1) вертикальные термоградиенты и океанические ветры;

2) морская биомасса и геотермальные воды;

3) поверхностные волны, течения и перепады солености.

В газообразное состояние и в этом виде поступает на турбину, где он расширяется и приводит в действие генератор. С турбины аммиак выходит с пониженной температурой и при меньшем давлении и пропускается через теплообменник, использующий холодную воду; газ сжижается, и цикл по-вторяется. В «открытой» системе в ^качестве рабочего тела используется морская вода; ее температура кипения снижается в вакуумной камере, где поддерживается давление на уровне 3,5% от нормального атмосферного.

Малые и микро ГЭС.

Всесезонные рукавные гидроэлектростанция предназначены для выработки электроэнергии без сооружения плотины за счет использования энергии самотечного потока.

При использовании каскадного монтажа данные рукавные микроГЭС могут использоваться как в малых хозяйствах так и для промышленного производства электроэнергии, особенно в местах, удаленных от ЛЭП.

МикроГЭС - надежные, экологически чистые, компактные, быстроокупаемые источники электроэнергии для деревень, хуторов, дачных поселков, фермерских хозяйств, а также мельниц , хлебопекарен, небольших производств в отдаленных горных и труднодоступных районах, где нет поблизости линий электропередач, а строить такие линии сейчас и дольше и дороже, чем приобрести и установить микроГЭС.

Преимущества микро- и мини-ГЭС:

1.отсутствует нарушение природного ландшафта и окружающей среды в процессе строительства и на этапе эксплуатации;

2. отсутствует отрицательное влияние на качество воды: она не теряет первоначальных природных свойств и может использоваться для водоснабжения населения;

3.практически отсутствует зависимость от погодных условий;

4.обеспечивается подача потребителю дешевой электроэнергии в любое время года;

5.отсутствуют проблемы, характерные крупной гидроэнергетике (строительство сложных и дорогостоящих гидросооружений, затопление местности и т.п.).



5. Атомные электростанции

АЭС - это по существу ТЭС, которые используют тепловую энергию ядерных реакций.

Один из основных элементов АЭС - реактор. Я.Р.-это устройство в котором осуществляется регулируемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов. В качестве ядерного топлива используют как природные изотопы U235,так и искусственные изотопы U233

Ядерная энергия освободившегося в процессе цепной реакции деления превращается в теплоту которая теплоносителем отводится из реактора.

В зависимости от схемы АЭС бывают: одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные.

Пар образуется в ядерном реакторе, т.е. реактор явл. Парогенератором.

Такие АЭС дешевле, проще. Содержат минимальное число оборудования.

Т.к. теплоносителем является радиоактивным, то всё оборудование должно иметь биологическую защиту.

Ремонт оборудования затруднён.

В этой схеме радиоактивность распространяется только в пределах 1-го контура.

Нагреваемый в реакторе поток жидкости, газа или распл. металла являющийся теплоносителем передает теплоту рабочему телу в парогенераторе.

Необходимость наличия 2-го контура приводит к тому, что температура рабочего тела подаваемого на турбину ниже чем в одноконтурной схеме.

Теплоносителем в 1-ом контуре таких АЭС явл. жидкий Na. Na под влиянием облучения может образовывать изотоп с высокой энергией гамма излучения по-этому 1-ый контур отделяют от рабочего контура промежуточным, теплоносителем которого так же явл. жидкий Na. Биологическая защита распространяется на первые 2 контура. Для защиты от перетечек давление во 2-ом контуре больше чем в 1-ом. В этих эл.станциях могут применятся серийные турбины и генератор применяемые на ТЭС.

Преимущества АЭС: нет отходов; газовых выбросов; нет необходимости вести огромные объемы строительства; возводить плотины и водохранилища, экологичные;

Недостатки: Облученное топливо опасно, требует сложных и дорогих мер по переработке и хранению, тяжелые последствия аварий;

6. Принцип работы ядерного энергетического реактора, типы ядерных реакторов

Ядерный реактор -- устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. В я.р. происходит цепная реакция. Ядра урана или Плутония распадаются при этом образуются 2-3 ядра элементов середины таблицы Менделеева, Выделяется энергия, излучаются гамма кванты и образуются 2 или 3 нейтрона, которые в свою очередь, могут прореагировать с др. атомами и, вызвав их деление, продолжить цепную реакцию. Для распада какого-либо атомного ядра необходимо попадание в него элементарной частицы с определенной энергией. В качестве делящегося вещества в большинстве Ядерный реактор применяют 235U. В процессе работы ядерного реактора происходит изменение состава топлива, свя-занное с накоплением в нём осколков деления и с образованием трансурановых элементов, главным образом изотопов Pu. Влияние ос-колков деления на реактивность ядерного реактора называют отравлением (для радиоактивных осколков) и зашлаковыванием (для стабильных).

Водо-водяные энергетические реакторы получили наибольшее распространение из-за своей компактности и относительно простой и надежной конструкции. В настоящее время на АЭС применяют реакторы ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.

Тепловая схема блока -- двухконтурная. Обычная некипящая вода, используемая в качестве теплоносителя и замедлителя, циркулирует под давлением 7--16 Мпа. Для повышения надежности и безопасности работы АЭС тепло-отвод от активной зоны реактора выполняют в виде нескольких независимых циркуляционных петель. Например, первый радиоактивный контур реактора ВВЭР-440 имеет шесть петель. Увеличе-ние числа циркуляционных петель усложняет конструкцию, техно-логическую схему и создает трудности в эксплуатации, следовательно, увеличиваются капитальные вложения в установку. Более перспективной является четырехпетлевая схема охлаждения реактора ВВЭР-1000.

2-ой контур выполняется аналогично технологич. схеме ТЭС. Так же реактор имеет следующие вспомогательные системы: 1)сист.управл.и защитой реаткора. 2)борного регулирования. 3)аварийного расхолаживания реактора. 4)система дегазации теплоносителя и снижение взрывоопасной концентрации водорода. 5)система компенсации температурных изменений объема. 6)система охлаждения бассейна перегрузки и выдержки. 4. АЭС с канальными водографитовыми кипящими ректорами.

Для аварийных режимов применяют аварийные питательные электронасосы (ПЭН), использующие запасы воды деаэраторов и дополнительных баков обессоленной воды. Для обеспечения тепловой энергией потребителей поселка и станции применяют дополнительный промежуточный контур, состоящий из подогревателей и насосов, так как турбина работает на радиоактивном паре. Следовательно, схема АЭС с реакторами РБМК является одноконтурной. Для исключения протечек радиоактивной воды вдоль вала насоса используют специальный контур, через который подают запирающую воду давлением на 0,25 МПа выше давления на всасе ГЦН. Так как ГЦН не могут работать без запирающей воды, насосы этого контура должны подключаться к схемам надежного питания. При потере же питания в системе СН станции вода на уплотнение ГЦН подается из аварийного гидроаккумулятора в течение 10 мин, пока не вступят в работу аварийные дизельгенераторы этих схем. К вспомогательным относятся системы: управления и защиты реактора (СУЗ); продувки и расхолаживания; охлаждения бассейна; спринклерноохладительная и аварийного охлаждения (САОР).

АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.

Кроме выработки электрической энергии, на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах осуществляется расширенное воспроизводство ядерного топлива. В качестве теплоносителя в реакторах-размножителях применяют жидкий натрий из-за его хороших физических свойств и относительно небольшой стоимости.

Применение жидкометаллического теплоносителя в реакторах позволяет получать пар высоких параметров и использовать серийные турбоагрегаты.

В первом и втором контурах используют жидкий натрий, в третьем -- воду и пар.

Трехконтурная технологическая схема реактора приведена на рисунке.

Паронегераторы, в которых образуется перегретый пар (третий контур), выполнены прямоточными и имеют малый запас воды. Поэтому при потере питания в системе СН станции для обеспечения режима расхолаживания к надежности электроснабжения аварийных ПЭН (АПЭН) и времени их пуска предъявляют повышенные требования, а АПЭН питают от специальных для каждого насоса дизель-генераторов с малым временем пуска.Для увеличения коррозионной стойкости конструкционных материалов натриевых контуров используют фильтр-ловушки, работа которых основана на охлаждении жидкометаллического теплоносителя, до температуры, меньшей температуры насыщения оксидов, растворенных в натрии. Натрий в ловушке охлаждается воздухом или, азотом, прокачиваемым по замкнутому контуру вентилятором. При отключенных ГЦН циркуляция натрия через фильтры осуществляется электромагнитными насосами. Перед заполнением первого и второго контуров натрием для исключения взаимодействия его с кислородом воздуха реактор заполняют газом (аргоном) и разогревают сжатием аргона в нагнетателях и прокачкой его по замкнутым контурам. Эту же систему используют в качестве резервной при расхолаживании реактора, поэтому нагнетатели имеют привод от автономного источника, а теплообменники -- надежное снабжение технической водой.

7. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии - это солнечное излучение, энергия ветра, энергия малых рек и водотоков, приливов, волн, энергия биомассы (дрова, бытовые и сельскохозяйственные отходы, отходы животноводства, птицеводства, лесозаготовок, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности), геотермальная энергия, а также рассеянная тепловая энергия (тепло воздуха, воды океанов, морей и водоёмов).

Основное преимущество возобновляемых источников энергии их неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Возобновляемые источники энергии играют значительную роль в решении трёх глобальных проблем, стоящих перед человечеством: энергетика, экология, продовольствие.

Указанные источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно «бьют по карману» тех, кто хочет использовать НВИЭ. Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».

8. Магнитогидродинамические генераторы

К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамикеских генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую.

В рассматриваемой схеме между металлическими пластинам, расположенными в сильном магнит-ном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа -- плазмы -- тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока, Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и происходит путем совершения работы по преодолению сил торможения. Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить пропусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможности наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие мате-риалы.

9. Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции в качестве источника энергии используют теплоту земных недр.

Структурная схема геотермальной электростанции для вулканических районов приведена на рисунке:

Практически все геотермальные источники содержат примеси в виде различных химических элементов. Химическая активность подземных теплоносителей, в составе которых могут быть ртуть, мышьяк, вызывает отрицательные экологические эффекты, а также усиливает коррозию конструкционных материалов энергетического оборудования. Извлечение химических элементов до отбора теплоты от теплоносителя позволяет снизить экологическое влияние, уменьшить химическую коррозию и получить пенное сырье для химической промышленности.

В настоящее время геотермальные источники больше используются для теплоснабжения, чем для выработке электрической энергии. Это объясняется как техническими трудностями в работе геотермальных электростанций, так и высокой Стоимостью их в расчете на единицу установленной мощности.

Ветровые электростанции.

Ветровые установки являются одним из самых перспективных и одновременно экологически чистых способов выработки электроэнергии. Вместе с тем, энергия ветра относится к числу возобновляемых источников энергии. Возобновляемые ресурсы -- природные ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются, или не зависят от того, используются они или нет.

В общих чертах, устройство ветровой электростанции выглядит следующим образом. Ветер вращает лопасти, а лопасти крутят вал, который соединен с набором зубчатых колес, приводящих в действие электрогенератор. Крупные турбины для электроснабжения могут вырабатывать от 750 киловатт (киловатт = 1 000 ватт) до 1,5 мегаватт (мегаватт = 1 миллиону ватт) электроэнергии. В жилых домах, на телекоммуникационных станциях и в водяных насосах в качестве источника энергии применяются небольшие одиночные ветротурбины мощностью менее 100 киловатт. Это, прежде всего, характерно для отдаленных районов, в которых отсутствует энергосистемы общего пользования.

В ветровых установках группы турбин связаны вместе с целью выработки электроэнергии для энергосистем общего пользования. Электричество подается потребителям посредством линий передач и распределительных линий.

Установлено, что мощность воздушного потока NB.n, кВт, проходящего через сечение площадью F, перпендикулярное направлению этого потока, выражается формулой Nвп=0,0049pv3F,где v--скорость воздушного потоки, mj/c; F -- площадь сечения, м2; р -- плотность воздуха, зависящая от его температуры и атмосферного давления, кг/м3.

Ветровые электростанции не производят никаких вредных выбросов в окружающую среду, и в этом отношении ветроэнергетика экологически абсолютно «чиста». Однако негативное влияние ВЭС на окружающую среду все же проявляется. Речь идет, прежде всего, о том, что<для сооружения ВЭС необходимо отводить определенные территории, измеряемые для мощных ВЭС десятками квадратных километров, которые не только изменят свой ландшафт, но и в ряде случаев станут непригодными для других целей. Шумовой эффект, создаваемый ВЭС, может существенно повлиять на фауну прилегающей территории.

Солнечные электростанции.

Солнечная электростанция -- инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию. В солнечных элементах используется явление фотоэффекта, т. е. вырывание электронов из тела под действием света.

Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (примерно 0,15 МВт-ч на 1 м2 поверхности в год), в современных условиях затруднительно использовать из-за низкой плотности солнечной радиации и ее зависимости от состояния атмосферы (облачности) и времен» года. Возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках Земли. В этом случае солнечная энергия будет аккумулироваться в течение 24 ч, а следовательно, эффективность работы станции не будет зависеть от облачного покрова.

Из солнечной энергии методом термодинамического преобразования можно получать электричество практически так же, как и из других источников. Однако солнечное излучение, падающее на Землю, обладает рядом характерных особенностей: низкой плотностью потока энергии, суточной и сезонной цикличностью, зависимостью от погодных условий. Поэтому при термодинамическом преобразовании этой энергии в электрическую следует стремиться к тому, чтобы изменения тепловых режимов не вносили серьезных ограничений в работу системы и не возникало затруднений, связанных с ее использованием. Желательно также, чтобы система допускала изменение производства электроэнергии во времени в соответствии с необходимостью потребления. Следовательно, солнечная электростанция должна иметь аккумулирующее устройство для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечения необходимого изменения производства энергии во времени. При проектировании солнечных энергетических станций важно правильно оценивать метеорологические факторы. Часто место постройки солнечной электростанции выбирается исходя лишь из одного критерия: годового числа часов солнечного сияния, при этом нередко пренебрегают другим фактором - облачностью.

Большое внимание уделяется перспективе использования солнечной энергии в промежуточном процессе получения топлива. Так, энергия крупных солнечных станций может быть использована для синтеза топлива на основе углеводорода, например метанола из известняка и воды.

Наличие благоприятных условий во многих странах позволяет использовать для практических целей солнечную энергию. В направлении применения солнечной энергии уже выполнен ряд работ и доказана возможность ее использования для опреснения и дистилляции воды, приготовления пищи, нагревания воды, привода насосов и других целей. В целом несомненно, что человечество в будущем обратится к Солнцу -- главному источнику энергии, которую и будет применять различными путями.

Один из путей использования энергии Солнца заключается в реализации проектов улавливания и накопления энергии фотосинтеза. Трудность реализации таких проектов заключается в низкой эффективности фотосинтеза как способа превращения солнечной энергии в химическую.

Термоэлектрические генераторы.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) являются устройствами непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Принцип действия термоэлектрического генератора основан на применении эффекта Зеебека, открытого в 1821 г. Он заключается в появлении э.д.с. в замкнутой цепи из двух разнородных материалов, если места контактов поддерживаются при разных температурах. Эффект возникает вследствие зависимости энергии свободных электронов или “дырок” от температуры. В местах контактов различных материалов заряды переходят от проводника, где они имели более высокую энергию, в проводник с меньшей энергией зарядов. Если один контакт нагрет больше, чем другой, то разность энергий зарядов между двумя веществами больше на горячем контакте, чем на холодном, в результате чего в замкнутой цепи возникает ток.

Электрическая цепь состоит из p- и n- ветвей термоэлемента (обладающими разными знаками коэффициента термоэлектродвижущей силы), коммутационных пластин горячего и холодного спаев и активной нагрузки R.

При нагреве горячих спаев термоэлемента до температуры Tг, и рассеивании тепла с холодных спаев, поддерживаемых при температуре Tx, между спаями, при разомкнутой цепи R, стационарно устанавливается разность температур Tг - Tx. Тепловой поток через термоэлемент,в этом случае, после некоторых упрощений, можно записать как: где x - среднеинтегральные значения теплопроводностей ветвей; S и l, соответственно, площади поперечного сечения и длины p- и n- ветвей в интервале температур (Tr-Tx).

Разность температур на спаях термоэлемента вызывает термодиффузию носителей, в результате чего горячие спаи ветвей обедняются соответственно электронами и дырками, которые концентрируются на холодных спаях. Нарушение электрической нейтральности создает поле, направленное от холодных участков к горячим, которое препятствует дальнейшей термодиффузии носителей.

Это поле и есть термоэлектродвижущая сила E, возникающая на концах разомкнутой цепи термоэлемента и пропорциональная разности температур и разности коэффициентов термо-э.д.с.каждой ветви:

E=(ap-an)(Tг-Tх).

Термоэлектрические батареи обладают принципиальными преимуществами перед другими источниками электропитания:

1. Имеют длительный срок службы, практически неограниченный срок хранения при полной готовности к работе в любое время, не требуют специального обслуживания;

2. Термобатареи устойчивы в работе, дают стабильное напряжение, не боятся короткого замыкания и режима холостого хода.

3. Ввиду отсутствия движущихся частей термоэлектрические генераторы полностью бесшумны в работе, что дает им преимущество перед машинными источниками постоянного напряжения.

Благодаря этим свойствам термоэлектрические генераторы находят применение в областях, где требуются сверхнадежные источники электроэнергии, обладающие длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания: автоматические метеостанции, морские маяки, автономные космические аппараты. В качестве источников тепла в них могут использоваться радиоактивные изотопы или ядерные реакторы.

Недостатком ТЭГ является сравнительно низкий КПД преобразования энергии (3 - 5 %).

Термоэмиссионные преобразователи

Термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП), термоэлектронный преобразователь энергии, термоионный преобразователь энергии, устройство для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую на основе явления термоэлектронной эмиссии. Простейший ТЭП состоит из двух электродов (катода, или эмиттера, и анода, или коллектора, изготовляемых из тугоплавких металлов, обычно Mo, Re, W), разделённых вакуумным промежутком. К эмиттеру от источника тепла подводится тепловая энергия, достаточная для возникновения заметной термоэлектронной эмиссии с поверхности металла. Электроны, преодолевая межэлектродное пространство (несколько десятых долей мм), попадают на поверхность коллектора, создавая на нём избыток отрицательных зарядов и увеличивая его отрицательный потенциал. Если непрерывно обеспечивать подвод тепла к эмиттеру и соответствующее охлаждение коллектора, то во внешней цепи будет поддерживаться электрический ток и таким образом совершаться работа.

Напряжение, развиваемое ТЭП (0,5-- 1 в), -- порядка контактной разности потенциалов, но меньше её на величину падения напряжения на межэлектродном зазоре и потерь напряжения на коммутационных проводах. Максимальная плотность тока, генерируемого ТЭП, ограничена эмиссионной способностью. Для получения оптимальных величин работы выхода эмиттера (2,5--2,8 эв) и коллектора (1,0--1,7 эв) и для компенсации объёмного заряда электронов, образующегося вблизи электродов, в зазор между ними обычно вводят легко ионизируемые пары Cs. Положительные ионы цезия образуются при столкновении атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами как на горячем катоде (поверхностная ионизация), так и в межэлектродном объёме (вследствие либо однократного соударения атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами, либо ступенчатой ионизации, при которой в результате 1-го соударения с электроном атом Cs переходит в возбуждённое состояние, а при последующих -- ионизируется). В последнем случае ТЭП работает в так называемое дуговом режиме -- наиболее употребительном. При используемых в современных ТЭП температурах электродов (1700--2000 К на катоде и 800--1100 К на аноде) их удельная мощность (в расчёте на 1 см2 поверхности катода) достигает десятков вт, а кпд может превышать 20%.

По роду источника тепла различают ядерные (реакторные и радиоизотопные), солнечные и газопламенные ТЭП. В ядерных ТЭП используется тепло, выделяющееся в результате реакции ядерного деления (в реакторных ТЭП) или распада радиоактивного изотопа (в радиоизотопных). В 1970 в СССР создан первый в мире термоэмиссионный преобразователь-реактор «Топаз» электрической мощностью около 10 квт. В солнечных ТЭП нагрев эмиттера осуществляется за счёт тепловой энергии солнечного излучения (с применением гелиоконцентраторов). Газопламенные ТЭП работают на тепле, выделяющемся при сжигании органического топлива.

Важные преимущества ТЭП по сравнению с традиционными электромашинными преобразователями -- отсутствие в них движущихся частей, компактность, высокая надёжность, возможность эксплуатации без систематического обслуживания. В настоящее время (середина 70-х гг.) достигнут ресурс непрерывной работы одиночного ТЭП свыше 40000 ч. Перспективно использование ТЭП в качестве высокотемпературного звена многоступенчатых преобразователей энергии, например, в сочетании с термоэлектрическими преобразователями, работающими при более низких температурах. В СССР, США, Франции и ряде др. стран ведутся интенсивные работы по созданию ТЭП, пригодных для массового промышленного использования.

10. Термоядерная реакция

Термоядерные реакции, ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (порядка 107 К и выше). Высокие температуры, то есть достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при Термоядерные реакции Поэтому Термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

Термоядерные реакции, как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением энергии (точнее, выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению энергии связи). При этом сам механизм этого «экзоэнергетического» сдвига к средней части периодической системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, который имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически интересные Термоядерные реакции -- это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются, однако, исключения: благодаря особой прочности ядра 4He (a-частица) возможны экзоэнергетические реакции деления лёгких ядер (одна из них, «чистая» реакция 11B + р ® 34Не + 8,6 Мэв, привлекла к себе интерес в самое последнее время).

Большое энерговыделение в ряде Термоядерные реакции обусловливает важность их изучения для астрофизики, а также для прикладной ядерной физики и ядерной энергетики. Кроме того, чрезвычайно интересна роль Термоядерные реакции в дозвёздных и звёздных процессах синтеза атомных ядер химических элементов (нуклеогенеза).

Скорости Термоядерные реакции В табл. 1 для ряда Термоядерные реакции приведены значения энерговыделения, основной величины, характеризующей вероятность Термоядерные реакции -- её максимального эффективного поперечного сечения (sмакс, и соответствующей энергии налетающей (в формуле реакции -- первой слева) частицы.

Главная причина очень большого разброса сечений Термоядерные реакции -- резкое различие вероятностей собственно ядерных («послебарьерных») превращений. Так, для большинства реакций, сопровождающихся образованием наиболее сильно связанного ядра 4He, сечение велико, тогда как для реакций, обусловленных слабым взаимодействием (например, р + р ® D + е+ + n), оно весьма мало.

Термоядерные реакции происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в единице объёма в единицу времени равно n1n2 <vs(v) >, где n1, n2 -- концентрации ядер 1-го и 2-го сортов (если ядра одного сорта, то n1n2 следует заменить на n2), v -- относительная скорость сталкивающихся ядер, угловые скобки означают усреднение по скоростям ядер v.

11. Паровой котел и его основные элементы

Паровой котел представляет собой систему поверхностей нагрева для производства пара из непрерывно поступающей в него воды. Путем использования теплоты выделяющейся при сжигании топлива.

Получение пара характеризуется следующими процессами: 1)Подогрев воды до температуры насыщения. 2)Парообразование. 3)Перегрев пара до заданной температуры.

Устройство современного парового котла. Барабанный паровой котел состоит из топочной камеры и газоходов, барабана, поверхностей нагрева, находящихся под давлением рабочей среды (воды, пароводяной смеси, пара), воздухоподогревателя, соединительных трубопроводов и воздуховодов. Топливо подается к горелкам К горелкам подводится также воздух, предварительно нагетый уходящими из котла газами в воздухоподогревателе. Топливовоздушная смесь, подаваемая горелками в топочную камеру (топку) 8 парового котла, сгорает, образуя высокотемпературный (примерно 1500 °С) факел, излучающий теплоту на трубы 1, расположенные на внутренней поверхности стен топки. Это испарительные поверхности нагрева -- экраны. Отдав часть теплоты экранам, топочные газы с температурой около 1000 °С проходят через верхнюю часть заднего экрана, трубы которого здесь разведены в два-три ряда, и омывают пароперегреватель 3. Затем продукты сгорания дви-жутся через водяной экономайзер, воздухоподогреватель и покидают котел с температурой около 110--150°С.

Вода, поступающая в паровой котел, называется питательной. Она подогревается в водяном экономайзере 4, забирая теплоту от продуктов сгорания (уходящих газов), экономя тем самым теплоту сожженого топлива. Испарение воды происходит в экранных трубах 1. Испа-рительные поверхности подключены к барабану 2 и вместе с опускными трубами 10, соединяющими барабан с нижними коллекторами экранов, образуют циркуляционный контур. В барабане происходит разделение пара и воды, кроме того, большой запас воды в нем повышает надежность работы котла. Сухой насыщенный пар из барабана поступает в пароперегреватель 3, перегретый пар направляется к потребителю.

12. Конструкции паровых котлов

Барабанные котлы с естественной циркуляцией. Этот котел имеет сравнительно небольшие размеры (высота до оси барабана всего 28,7м). Топка котла разделена на две симметричные камеры (полутопки) вертикальным, воспринимающим излучение с двух сторон (двусветным) экраном. Первая ступень пароперегревателя этого котла выполнена из трубных панелей, расположенных по всей высоте фронтовой стены обеих полутопок, и является фронтовым экраном Потолок также закрыт сплошным рядом труб, образующих потолочный экран. Это -- вторая часть пароперегревателя (радиационный потолочный пароперегреватель). Третьей ступенью пароперегревателя являются раз-реженные пакеты вертикальных змеевиков, так называемые ширмы, расположенные отчасти в топке и воспринимающие излучением от горячих топочных газов значительную часть теплоты. Последняя ступень -- горизонтальные пакеты труб в конвективном газоходе (конвективный пароперегреватель). В результате радиацией передается до 60 % всей теплоты, воспринимаемой пароперегревателем.

Боковые экраны в нижней части имеют слабо наклоненные скаты к середине топки, образующие под. Во избежание перегрева обращенной к топке поверхности почти горизонтальных подовых труб при возможном расслоении в них пароводяной смеси эти трубы имеют защитную обмуровку со стороны топки. В настоящее время этот котел снабжается либо четырьмя, либо шестью горелками большой производительности. Малое число горелок упрощает обслуживание и ремонт котла.

Интересно крепление змеевиков конвективного пароперегревателя. Пакеты змеевиков опираются на стальные камеры (трубы), служащие опорными балками. Сами камеры охлаждаются прокачиваемой через них питательной водой.

Вся экранная система испарительных и пароперегревательных труб имеет возможность свободно удлиняться вниз.

Для удаления с поверхности труб конвективной шахты отложений, образующихся при сжигании мазута, используется система дробеочистки. Поднимаемая пневмотранспортным устройством чугунная дробь выбрасывается затем в конвективную шахту и, падая, сбивает с труб накопившиеся отложения, которые уносятся затем дымовыми газами.

Вращающийся регенеративный воздухоподогреватель устанавливается на индивидуальной опорной конструкции на некотором расстоянии от котла.

Расход топлива котельным агрегатом -- примерно 29 000 кг/ч мазута или 30 000 м3/ч природного газа. Температура питательной воды 230 °С; КПД котла 92,5 %; температура горячего (после воздухоподогревателя) воздуха -- около 300 °С; температура уходящих газов при работе на мазуте 130 °С, при работе на природном газе 120 °С.

13. Классификация паровых котлов

Паровые котлы с естественной циркуляцией. Рассмотрим работу замкнутого контура состоящего из двух систем труб: обогреваемых 6 и необогреваемых , объединенных вверху барабаном , а внизу -- коллектором . Замкнутая гидравлическая система, состоящая из обогреваемых и необогреваемых труб, образует циркуляционный контур Объем барабана, заполненный водой, на-зывают водяным объемом, а занятый паром-- паровым объемом. Поверхность, разделяющую паровой и водяной объем, называют зеркалом испарения. Водяной объем барабана и парообразующие трубы заполнены котловой водой.

Отличительной особенностью паровых котлов с естественной и многократной принудительной циркуляцией является наличие барабана-- емкости, позволяющей организовать циркуляцию в замкнутой гидравлической системе и обеспечить отделение воды от пара. Барабан фиксирует все зоны котла: экономайзерную, парообразующую и пароперегревательную.

...