Приливные электростанции ПЭС.

В результате сил притяжения, которые действуют между Землей, Луной и Солнцем, возни­кают приливы и отливы е морях и океанах. Взаиморасположение Земли по отношению к Луне и Солнцу меняется со строгой закономерностью четыре раза в сутки, иа нашей планете происходят приливы и отливы в морях и океанах. В некоторых районах Мирового океана наблюдается очень большая амплитуда приливной волны и разность между верхней и нижними отметками прилива постигает наивысшего значения 19 м у берегов Канады. В России в северных морях Охотском и Беринговом волна достигает 10-13 м. Схема использования приливов и отливов проста. Бухта или устье реки, где приливная волна особенно высока, перегораживается плотиной, в которой монтируются реверсивные гидротурбины, использующие энергию не только приливов, но и от­ливов. Главным недостатком ПЭС является их вынужденный режим, в зависимости от времени приливов и отливов Несмотря на то, что использование этой энергии проходит начальную ста­дию технического освоения, в некоторых странах успешно работают приливные электростанции. Самая мощная ПЭС работает во Франции, в провинции Бретань, устье реки Ранс. Ее мощность 240 МВт: В России действует небольшая Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт. Подсчитано, что на мелководной Мезеньской губе, гпе высота приливов достигает 8-9 ч, можно построить ПЭС мощностью до 14 и,лн кВт. Проектируется на берегу Охотского моря Гургайская ПЭС мощ­ностью 6,2 млн. кВт.

Разрабатывается несколько совместных американо-канадских проектов на строительство ПЭС в районе Фанди, знаменитом своими высокими приливами. Изучаются возможности строи­тельства ПЭС в диапазоне мощностей 400-8000 МВт в Великобритании, Канаде, Индии и Южной Корее.

Солнечные электростанции.

От "Солнца на Землю направляется тепловой поток, который можно оцепить астрономиче­ской цифрой 1,05 10 кВт-ч в год. Непосредственно до земной суши доходит примерно одна пятая его часть. Однако и эта энергия в 30 тыс. раз превышает современное производство электроэнер­гии во всем мире. Этому энергетическому источнику присущи два недостатка: малая плотность солнечного потока, не превышающего у земной поверхности I кВт на метр, и нерегулируемый приход его к земной поверхности, зависящий от времени года, суток и погоды!

 

В России и за рубежом определились несколько направлений использования солнечной энергии:

- преобразование солнечного излучения в тепловую энергию с использованием ее для ото­пления, горячего водоснабжения, кондиционирования воздуха, сушки материалов и продуктов сельского хозяйства, опреснение минерализованной воды и т.п.;

- преобразование солнечное энергии в электрическую с применением термического метода;

создание космических солнечных электростанций.

 

Рис. 17.1.Структурная схема солнечной электростанции.

 

Принцип работы наземных солнечных электростанций (рис 5.2), основанных на термодина­мическом методе, заключается в постоянном слежении за движением Солнца тысяч гелиостатов - плоских зеркал 2, отражающих падающие на них лучи на приемник 3, находящийся в фокусе этих лучей. Образовавшийся от нагрева пар поступает в накопитель 4, из которого вводится в па­рогенератор 5. В парогенераторе из первичного пара образуется пар с необходимыми параметра­ми для паровой турбины 6, От вращающегося генератора 7, находящегося на одном валу с паро­вой турбиной, электрическая энергия передается в энергосистему. Отработанный пар в турбине поступает в конденсатор 8, откуда в виде конденсата перекачивается в парогенератор, а затем через охлаждающую систему 9 вновь поступает в паровой приемник. Управление гелиостатами Успешному развитию фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии в электрическую в наемных условиях способствовала (благоприятная ситуация в связи с развитием космической техники, ростом потребностей в источниках питания, особенно автономных потре­бителей небольшой мощности, расположенных в местах, удаленных от централизованных энер­госистем. Развитию этого направления также способствовали достижения последних лет в полу­проводниковой технике и технологии. Фотоэлектрический метод преобразования стал одним из приоритетных направлений использования солнечной энергии. В этой связи следует коротко ос­тановиться на физических процессах, происходящих в полупроводниковом фотодиоде.

 

Фотодиод выполнен так, что его р-п переход одной стороной обращен к прозрачному окну, через которое поступает световой поток, с других сторон защищен от воздействия света. Фотодиод может работать двух режимах: фотогенераторном и фотопреобразовательном В фотоге­нераторном режиме используется фотогальванический эффект, который заключается в следую­щем. При освещении поверхности фотоэлемента вблизи р-п перехода поглощенные фотоны возбуждают атомы полупроводника и генерируют пары электрон-дырка. Образующиеся электроны под действием электрического поля р-п перехода уходят в слой п, дырки -в слой р. Это приводит к избытку дырок в слое р и электронов в слое п. В результате обе области заряжаются: п-обдасть становится отрицательной, а р-область - положительной. Это приводит к появлению на контактах р и п-областей фотоЭДС, которая может составить десятые доли вольта. Если замкнуть зажимы освещенного фотодиода через резистор Rн (рис 17.1), то я электрической цепи потечет ток.

Наилучшие результаты в области фотоэлектричества достигнуты в США и Японии, Одной из определяющих характеристик возможности широкого использования фотоэлектрических пре­образователей в народном хозяйстве является их удельная стоимость. Ведущая фирма США в об­ласти солнечных элементов Аrсо Solar предполагает, что их производство к 2000 году достигнет суммарной мощности 400 МВт и стоимость фотодиодов снизится до 10-15 центов за 1 кВт-ч вы­рабатываемой электроэнергии. Ближайшей задачей является обеспечение в серийном производство КПД фотопреобразователей на монокристаллическом кремнии, равного 12 %, при стабильности параметров в течение 15-20 лет. В перспективе КПД солнечных элементов на кремнии можно повысить до 25 % при обычной освещенности и до 30 % при концентрированном сол­нечном излучении. Для повышения КПД ставится вопрос о замене кремния арсенидом галлия. В этом случае КПД солнечного элемента получен 26,6 % и ожидается его повышение до 30-35 % По мнению экспертов, ежегодное производство солнечных элементов превысит 600 МВт в 2000г

Предполагается, что в Японии через 20 лет будет производиться фотоэлектрическая система о общей установленной мощностью 4600 МВт.

Активно осуществляется внедрение фотоэлектрических систем в энергетику Европы. Круп­нейшая итальянская фирма "Италосоляр" выпускает при автоматизации процессов в год солнеч­ные фотоэлектрические модули общей мощностью 1 МВт. Принципиально важно и то, что по­требитель получает не отдельные модули, а фотоэлектрическую систему вместе с электропотребляющим устройством - холодильником, насосом для перекачки воды, телевизором, туристиче­ским домиком. В России выпускается очень мало солнечных элементов, которых хватило пока лишь для того, чтобы покрыть крыши пяти экспертных домов.

 

 

Особое место фотоэлектрические установки (солнечные батареи) занимают как бортовые энергетические системы космических аппаратов. За исключением очень небольшого числа спут­ников, все космические аппараты нуждаются в электроэнергии как для служебных систем, так и для полезной нагрузки. Служебные системы - это системы ориентации, телеметрии, терморегули­рования, жизнеобеспечения (на пилотируемых аппаратах), а также бортовые двигательные уста­новки. Полезная нагрузка - научные приборы, ретрансляторы на спутниках связи, оборудование для проведения экспериментов.

Большинство современных космических аппаратов используют, лучистую энергию Солнца, которая с помощью фотоэлементов солнечных батарей преобразуется в электрическую энергию. Если солнце находится в тени Земли, то для этого предусматриваются аккумуляторные батареи Солнечные батареи космических орбитальных станций состоят из крупногабаритных панелей пленочного типа. Основная характеристика панели солнечных батарей — съем электроэнергии с единицы площади и единицы массы. По данным США этот показатель в 1984 г составлял соот­ветственно 125 Вт/м и 25 Вт/кг Сейчас этот показатель значительно выше. Улучшение техниче­ских характеристик солнечных батарей осуществляется прежде всего как за счет облегчения кон­струкций самих панелей, так и за счет монтируемых на них фотоэлементов. Упомянутая панель изготовляется из пленки. В сложенном (рулоном) виде она занимает объем 4,5 х 00,33 х 0,99 м2, в развернутом виде размер панели 332 х 4,1 м2 Развертывание обеспечивает многоэлементная штанга, которая складываете подобно самой панели. Количество тонкопленочных фотоэлементов на западноевропейском спутнике связи “Олимпус” составляет 21500. Наличие солнечных ба­тарей, особенно крупногабаритных, которые должны быть постоянно обращены к Солнцу, нала­гает большие ограничения на маневренность космических аппаратов.

 

18. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

 

Ветер — движение воздуха относительно поверхности Земли — имеет, как и многое другое, солнечное проис­хождение. Как известно, в физике существует понятие абсолютно черного тела, т. е. такого тела, которое пол­ностью поглощает падающее на него излучение. В дей­ствительности таких тел нет, это гипотетическое поня­тие. Гипотетическое, но весьма полезное. На самом деле реальные тела серые: они могут воспринимать толь­ко часть падающего на них излучения. Насколько боль­шую, определяется степенью черноты, т. е. отношением способностей поглощения сопоставляемого серого и аб­солютно черного тел. Следовательно, степень черноты реальных тел всегда меньше единицы.

 

Некоторые реальные серые тела (например, сажа) близки по свойствам к абсолютно черному телу. Цвет поверхности тела может сильно влиять на его коэффи­циент черноты. В частности, черный цвет увеличивает коэффициент черноты. Именно поэтому солнечные па­нели обычно окрашивают в черный цвет. По той же при­чине в летнее время обычно не носят одежду черного цвета.

Поверхность Земли в различных местах имеет раз­ную степень черноты. Поэтому различные участки Зем­ли под действием солнечной радиации нагреваются до различной температуры. По той же причине неравномер­ный нагрев имеют нижние слои атмосферы. Вследствие этого неодинаково и давление воздуха на одной и той же высоте. Другими словами, в атмосфере существует го­ризонтальное распределение давления. Это приводит к перемещению больших масс воздуха, возникает ветер.

Использование энергии ветра, так же как и исполь­зование энергии рек, имеет длинную историю. Многие столетия ветряные мельницы были привычными соору­жениями в сельскохозяйственных районах Европы. Но эти времена позади. В наше время вопрос использования энергии ветра еще не имеет определенного решения, но, вполне возможно, такое решение будет найдено.

Большая трудность в использовании энергии ветра заключается в его непостоянстве как по силе, так и по направлению. Противопоставить этому можно примене­ние либо электрического аккумулятора, либо использо­вание энергии ветра для процессов, не требующих по­стоянства действия механизма, либо передачу электри­ческой энергии непосредственно в достаточно мощную электрическую систему, для которой относительно не­большие колебания количества поступающей электро­энергии малочувствительны. В Советском Союзе ведутся работы по всем трем на­званным направлениям. Организация, именуемая Ветроэн, выпускает ветроустановки, предназначенные для привода электрогенераторов относительно небольшой мощности (до 100 кВт, в большинстве до 10 кВт), как правило, в Комплекте с электрическими аккумуля­торами. Выпуск таких ус­тановок измеряется тысяча­ми в год. Они используются с самыми различными целя­ми, включая электроснаб­жение небольших коттед­жей в местах, как правило, еще не электрифицирован­ных. Такого рода ветроуста­новки могут использовать­ся не только для выработки электроэнергии, но и для по­лучения механической энер­гии, например для привода насосов, перекачивающих воду. В этом случае элект­рические генератор и акку­мулятор не нужны, но зато необходим промежуточный

сосуд с водой, играющий роль водяного аккумулятора.

В настоящее время в Советском Союзе ведется ра­бота по созданию более мощных ветроэлектрогенераторов (мощность которых, вероятно, будет

 

измеряться ты­сячами киловатт) для подачи выработанной электро­энергии непосредственно в электросети, о чем уже гово­рилось выше.

По-видимому, на широкое использование ветра в энер­гетике можно смотреть с оптимизмом.

В заключение приведем принятую градацию скоро­сти ветра. Ветер, имеющий скорость 5—8 м/с, считается умеренным, а больше 14 м/с —сильным, скорость 20— 25 м/с — штормом, а свыше 30 м/с —ураганом. Наблю­дались порывы ветра порядка 100 м/с.

При конструировании ветроэнергетических установок необходимо учитывать возможную силу ветра в данном районе, в противном случае установки могут оказаться жертвой шторма или урагана.

 

ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Защита окружающей человека среды, как это всем хорошо известно, одна из важнейших глобальных проблем. Мы остановимся только на той части проблемы, которая связана с электростанциями. Воздействие на окружающую среду различных типов электростанций (ТЭС, ГЭС, АЭС) различно, и поэтому рассмотрим каждый из этих трех случаев отдельно.

Пожалуй, наибольшее отрицательное воздействие на окружающую среду в настоящее время оказывают ТЭС. Их воздействие заключается в загрязнении атмосферы мелкими твердыми частицами золы и особенно выбросами с уходящими газами окислов серы (если, конечно, сера содержится в топливе, что бывает сплошь и рядом) и окислов азота.

Что касается выбросов мелких частиц золы, то для борьбы с этим злом налажен массовый выпуск фильтров с КПД 95—99%. Можно было бы считать этот вопрос решенным, если бы на многих электростанциях, работающих на угле, фильтры не находились бы в столь безобразном состоянии, что их КПД снижается до 80% и даже еще более. Но это уже вопрос порядка, дисциплины.

С выбросами окислов серы и азота дело обстоит гораздо сложнее. До настоящего времени не создано эффективно действующих и дешевых фильтров. Однако необходимо отметить, что работа по созданию таких фильтров ведется

Так как большинство ТЭС использует в качестве топлива мелкоизмельченный (в специальных мельницах) уголь, унос мелких частиц несгоревшего угля ничтожен; коэффициент избытка воздуха в топке всегда больше единицы (примерно на 20%).

Окислы серы возникают при сжигании любого топлива (угля, мазута, природного газа), если в нем содержится сера; окислы азота образуются при сжигании любого топлива тем в большем количестве, чем выше температура.

Создание фильтров ведется энергично, и, нужно думать, она будет успешно завершена к 2000 г, а может быть, и ранее. Пока что для избежания предельных концентраций SОХи NО2в местах расположения электростанций строятся высокие выхлопные трубы — до 320—350 м.

Следует заметить, что окислы углерода, когда речь идет о тепловых электростанциях, не создают сколько-нибудь серьезных затруднений. Продукт неполного сгорания углерода СО, вредно действующий на людей даже в малых концентрациях, в продуктах сгорания ТЭС практически отсутствует. Как уже говорилось выше, причиной этого является большой избыток воздуха.

Выбросы углекислого газа СО2, который независимо от человеческой деятельности входит в состав атмосферы в количестве около 0,03% по объему, обращают на себя внимание главным образом с точки зрения увеличения так называемого парникового эффекта атмосферы и связанного с этим возможного повышения температуры атмосферы. Сущность парникового эффекта в том, что атмосфера Земли прозрачна для основной части излучения Солнца (в оптическом диапазоне). В атмосфере Земли излучение поглощается молекулами СО2, Н2О и другими, именно поэтому увеличение углекислоты в атмосфере Земли может привести к повышению ее (атмосферы) температуры., которая может скоро приблизиться к уровню конца XIX в.

Что все это означает? Только то, что мы еще плохо знаем описываемые процессы. Многие считают, что до сих пор не принималось во внимание значение аэрозолей находящихся во взвешенном состоянии мельчайших твердых частиц и капель жидкости. Рассмотрение этой гипотезы ведется.

Что касается жидкой фазы (рек, озер, прудов), то ТЭС сколько-нибудь существенно их не загрязняют. Надо только внимательно следить, чтобы нагрев воды, например пруда, не превысил допустимых пределов. В случае чего всегда есть запасной вариант градирня. Умеренный нагрев пруда может быть даже полезным содействовать рыбному хозяйству.

Разговор о воздействии ТЭС на окружающую среду можно было бы считать на этом исчерпанным. Но нам хочется, несколько выходя за рамки установленной программы, поставить такой вопрос: какие источники загрязнения наиболее существенны для атмосферы?

Для развитых стран, особенно для больших городов, это автомобиль. В ФРГ, например, на долю ТЭС приходится около 25% всего используемого топлива, а на долю автомобилей около 12%. В то же время в загрязнении воздушной среды на долю ТЭС приходится примерно 9% (это, конечно, немало, но, как сказано выше, есть реальные возможности резкого снижения

 

 

этой цифры), а на долю автомобилей 50%. Дело заключается в том, что в автомобилях (с карбюраторными двигателями) плохо сжигается топливо. Автомобили имеют, в частности, в отработавших продуктах сгорания много СО.

 

Вслед за автомобилями большое загрязнение атмосферы приносят отопительные (особенно нецентрализованные) установки, а также выхлопные газы предприятий.

Промышленные предприятия (особенно целлюлозно-бумажной, химической и нефтехимической промышленности, цветной металлургии и некоторые другие) главные загрязнители водных объектов. Поэтому особо большое внимание должно уделяться очистным сооружениям. Кардинальное решение проблемы создание предприятий с использованием воды в замкнутом контуре. Переходим теперь к ГЭС. Всего несколько десятилетий назад широкое распространение получила неправильная точка зрения о том, что ГЭС якобы не могут отрицательно влиять на окружающую среду. К сожалению, как об этом говорилось выше, дело обстоит не так.

На вопрос о том, можно ли сказать, что ГЭС настолько отрицательно влияют на окружающую среду, что их не надо строить вовсе, или, наоборот, влияние ГЭС на окружающую среду настолько мало, что их можно строить дальше, единого ответа дать нельзя. В некоторых конкретных случаях их строить можно и должно, а в некоторых нет.

В наибольшей мере объективный ответ на этот вопрос зависит от характеристики будущего водохранилища. Поэтому, повторяем, ответ о целесообразности строительства каждой конкретной ГЭС должен рассматриваться самостоятельно. К важнейшим характеристикам водохранилища относятся: размер зеркала водохранилищ, наличие в водохранилищах мелководий, влияние водохранилищ на местный климат, состояние почв и растительности, а также на рыбное хозяйство и водный (речной) транспорт.

Нельзя дать каких-либо твердых цифровых показателей типа: если на тысячу установленных киловатт ГЭС приходится не более п квадратных километров зеркала водохранилища, то ГЭС строить можно, а если больше, то нет. Надо, конечно, учитывать, насколько ценные земли (главным образом с точки зрения сельского хозяйства) будут затоплены.

Большим бедствием являются водохранилища, большую часть которых составляют мелководья. Возникают они в случаях, когда плотины ГЭС сооружаются в равнинной местности, например волжские ГЭС. Вода мелководий интенсивно прогревается солнцем, что создает благоприятные условия для развития сине-зеленых водорослей. Они в большинстве случаев не используются и, разрастаясь, гниют, заражают воду и атмосферу.

 

Важен также учет интересов речного судоходства. В принципе сооружение ГЭС оказывает двоякое воздействие на судоходство: повышение глубины реки в верхнем бьефе, что для судоходства выгодно, и необходимость (при сквозном движении судов) сооружения шлюзов, что влечет за собой дополнительные капиталовложения.

Два обстоятельства главным образом влияют на рыбное хозяйство. Во-первых, это касается так называемых проходных рыб, совершающих в период нереста миграцию из морей в реки, например из Каспийского моря в Волгу. Воздвижение плотин на пути их миграции может привести к ликвидации очень ценных проходных рыб. Попытки создать специальные устройства для миграции проходных рыб пока к успеху не привели.

Во-вторых, дело заключается и в том, что уровень воды в реках, на которых построены плотины ГЭС, подвержен колебаниям, определяемым электрической загрузкой ГЭС и, следовательно, количеством воды, которая должна протекать через ее турбины. Нередки случаи, когда выметанная рыбами икра вблизи поверхности реки гибнет (засыхает) вследствие понижения уровня воды.

Вопросы безопасности ядерных реакторов были рассмотрены выше. Здесь нам остается добавить очень немного. Реакторы ВВР второго поколения, о которых также уже говорилось, должны обладать так называемой внутренней безопасностью.

Это значит, если возникнет аварийная ситуация, а эксплуатационный персонал произведет неправильные действия, реактор все равно остановится.

 

ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВРЕДНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА, ЖИВОТНЫЙ И РАСТИТЕЛЬНЫЙ МИР

 

Вредное воздействие на человека, животный и растительный мир оказывают след факторы:

- валовые выбросы вредных веществ;

- концентрация вредных веществ, выраженная в долях ПДК,

- класс опасности вредных веществ;

- количество выбрасываемых ингредиентов;

- время действия вредных веществ.

Валовые выбросы вредных веществ на примере Омска составляют более 600 тыс. тонн в год, из них приходится на:

1) предприятия энергетики - 200 тыс. тонн (33 %),

2) автотранспорт - 160 тыс. тонн (27 %);

3) предприятия нефтехимического комплекса - 140 тыс. тонн (24 %);

4) ведомственные котельные и прочие источники -100 тыс тонн (16 %').

 

Предельно допускаемой концентрацией вредного вещества (ПДК) называется такое содержание его в воздухе, которое при ежедневном воздействии в течение неограниченного времени не может вызвать у человека каких-либо патологических изменений или заболеваний. ПДК в воздухе установлена для максимального разового и среднесуточного значений. Для воздуха производственных помещений установлена норма только максимально разовой концентрации.

ПДК определяется в миллиграмм на метр и для максимально разовых значений она установлена выше, чем для среднесуточных.

По степени воздействия на организм человека все вредные вещества разделяются на четыре класса опасности:

1 чрезвычайно опасные;

2 – высокоопасные;

3 - умеренно опасные;

4 - малоопасные.

К первому классу принадлежат вредные вещества, которые вызывают острые заболевания и гибель людей и животных. К четвертому классу относятся вредные вещества, которые невозможно обнаружить по прямому или косвенному воздействию на человека, животных или растительный мир.

 

19. КАК РЕШАЕТСЯ ПРОБЛЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

 

Аккумулирование энергии имеет большое, все время увеличивающееся значение. Имеются два основных потребителя аккумуляторов: транспортные установки и стационарные потребители.

Если бы можно было предоставить транспорту (например, автомобильному) малогабаритный и легкий электрический аккумулятор большой емкости с высоким КПД, то это было бы огромным достижением. Электромобиль заменил бы автомобиль, что сняло бы с повестки дня вопрос о главном загрязнителе воздуха в городах автомобиле и резко снизило бы потребность в самом дефицитном топливе нефти. К сожалению, проблема пока еще не решена.

Все большую остроту приобретает вопрос аккумулирования энергии для электроэнергетики, задача которой состоит в производстве электроэнергии и полном обеспечении ею потребителей. Как уже говорилось, потребление электрической энергии очень сильно изменяется в течение суток, и это ставит перед электроэнергетикой непростые задачи.

Если бы существовал не слишком дорогой электрический аккумулятор большой емкости с приличным КПД, то колебания в потреблении электроэнергии вообще никого бы не беспокоили. Электростанции всегда

 

работали бы на неизменном, самом выгодном расчетном режиме. В часы снижения потребления происходила бы за рядка аккумулятора, а в часы наибольшего потребления энергия, накопленная в аккумуляторе, передавалась бы потребителям в качестве "довеска" к основной "гире" электроэнергии, поступающей прямо с электростанции. К сожалению, такого электрического аккумулятора тоже нет.

Пора, по-видимому, поговорить не о том, чего нет, а о том, что есть. Существуют различные виды аккумуляторов энергии. Мы расскажем кратко о наиболее интересных из них.

Существуют аккумуляторы, накапливающие механическую энергию, механические аккумуляторы. Один из их представителей гидроаккумулирующие электростанции ГАЭС. Когда снижается потребность в электроэнергии, ее избыток используется на ГАЭС для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Таким образом "лишняя" электрическая энергия превращается в механическую (потенциальную) энергию. Во время повышенного спроса на электроэнергию производится перепуск воды из верхнего резервуара в нижний. При этом вода протекает через гидротурбогенератор, в котором ее потенциальная энергия превращается в электрическую.

На показаны верхний и нижний резервуары, соединяющий их трубопровод (водовод), базовая, работающая на неизменной нагрузке электростанция. Показанный на рисунке агрегат насос- турбина является обратимым: он может работать и как насос, и как гидравлическая турбина. Агрегат насос — турбина соединен (этого на рисунке не показано) также с обратимой электрической машиной (мотором-генератором), могущей работать и как электрический мотор для привода в действие насоса, и как электрический генератор. Контуры собственно ГАЭС обведены линией.

Второй тип механического аккумулятора, о котором мы скажем несколько слов, предназначается для транспортных устройств. Принцип его работы удивительно прост. Чтобы объяснить, как он работает, не требуется даже какой-нибудь схемы. Аккумулятор этого типа маховик, обладающий большой массой и раскручиваемый до очень высокого числа оборотов.

Запасаемая им энергия не что иное, как кинетическая энергия самого маховика. Для повышения кинетической энергии маховика нужно увеличивать его массу и число оборотов вращения. Но с ростом числа оборотов увеличивается центробежная сила, что может привести к разрыву маховика. Поэтому для маховиков используются самые прочные материалы. Например, сталь и стеклопластик. Уже изготовлены маховики, масса которых измеряется многими десятками килограммов, а частота вращения достигает 200 тыс. оборотов в минуту.

 

 

Потери энергии при вращении маховика вызываются трением между поверхностью маховика и воздухом и трением в подшипниках. Для уменьшения потерь маховик помещают в кожух, из которого откачивается воздух, т. е. внутри кожуха создается вакуум. Применяются самые совершенные конструкции подшипников. В этих условиях годовая потеря энергии маховиком может быть менее 20%.

В настоящее время созданы опытные образцы городских автобусов с аккумулятором энергии этого типа. Мы воздержимся от оценки перспективы использования маховиков-аккумуляторов. Мнения специалистов противоречивы.

Издавна используется такой класс аккумуляторов энергии, как электрические аккумуляторы. Мы остановимся на них совсем кратко, поскольку они в настоящее время имеют весьма узкое применение в качестве основного источника энергии, а именно это нас интересует в первую очередь.

Электрохимический аккумулятор заряжается (накапливает энергию) путем питания его электрической энергией. В аккумуляторе она преобразуется в энергию химическую. Выдает же электрохимический аккумулятор накопленную энергию вовне снова в виде электрической энергии.

Аккумулятор этого типа имеет два электрода положительный и отрицательный, погруженных в раствор электролит. Преобразование химической энергии в электрическую происходит посредством химической реакции. Чтобы дать начало реакции, достаточно замкнуть внешнюю часть электрической цепи аккумулятора. На отрицательном электроде, содержащем восстановитель, в результате химической реакции происходит процесс окисления. Образующиеся при этом свободные электроны переходят по внешнему участку электрической цепи от отрицательного электрода к положительному. Иными словами, между электродами возникает разность потенциалов, создающая электрический ток.

Таков процесс разрядки аккумулятора, когда он работает как источник тока. При зарядке аккумулятора химическая реакция протекает в обратном направлении.

Электрохимические аккумуляторы получили очень широкое распространение главным образом при запуске двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время больше всего используются сравнительно дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы. Более высокие показатели имеют, но зато и стоят дороже серебряно-кадмиевые аккумуляторы.

Главным недостатком всех существующих электрохимических аккумуляторов является низкое значение удельной (т. е. отнесенной к 1 кг массы аккумулятора) энергии, запасаемой аккумулятором.

Другими словами, если мы хотим сделать относительно мощный аккумулятор (например, для привода в движение автомобиля, т. е. мощностью того же порядка, что и мощность автомобильного бензинового двигателя) да еще желаем, чтобы между зарядками аккумулятора такой автомобиль прошел бы несколько сотен километров, то аккумулятор получается непомерно тяжелым и громоздким. Такой автомобиль практически не мог бы транспортировать ничего другого, кроме питающего его аккумулятора.

Действительно, свинцово-кислотный аккумулятор обладает удельной энергией порядка 100 кДж/кг, более дорогой серебряно-кадмиевый аккумулятор около 400 кДж/кг, в то время как бензин имеет теплотворную способность примерно 40 000 кДж/л.Именно по этой причине электромобили с электрохимическими аккумуляторами находят пока только узкое применение. Например, в случаях, когда радиус пробега мал, а остановок приходится делать много (городские автомобили для почты, для развозки молока и т. п.). С каждым годом увеличивается интерес к аккумуляторам тепла. Это не удивительно. Ко всем причинам, вызывающим этот интерес (а среди них прежде всего суточные колебания потребления тепла), появилась еще одна. И очень важная. Речь идет об использовании энергии Солнца для нагревания, чаще всего для отопления. За последние годы использование солнечной энергии для отопления стало, как уже об этом говорилось, во многих районах Земли выгодным и поэтому быстро развивается.

Но для земных условий Солнце не постоянный источник энергии: днем солнечная радиация имеется, ночью нет. По этой причине отопление за счет энергии

Солнца возможно при использовании аккумулятора тепла: днем он должен запасать тепло за счет солнечного излучения, а ночью — отдавать.

Аккумуляторы тепла подразделяются на две основные группы: во-первых, запасающие тепло путем нагревания рабочего тела аккумулятора, температура которого при этом повышается, и, во-вторых, накапливающие тепло в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое, чаще всего из твердого в жидкое; в этом случае температура рабочего тела не изменяется или изменяется мало.

Передача тепла потребителю от аккумуляторов первой группы происходит за счет охлаждения рабочего тела и понижения его температуры, а от аккумуляторов второй группы за счет возвращения рабочего тела в первоначальное агрегатное состояние (замерзание).

Важно отметить, что, каким бы ни было устройство аккумулятора тепла, необходимо придерживаться одного, главного принципа: температура

 

 

рабочего тела должна поддерживаться как можно более высокой, по возможности близкой к температуре того источника тепла, от которого заряжается аккумулятор тепла. Этот принцип ясен: чем выше температура источника тепла, тем более ценно запасенное им тепло. В пределе, если бы источник тепла имел температуру среды, то ни сам источник тепла, ни запасенное им тепло не представляли бы никакой ценности и никому не были бы нужны. Все сказанное, как помнит читатель, есть не что иное, как содержание второго закона термодинамики.

Из сказанного также следует, что рабочее тело должно иметь хорошую тепловую изоляцию от окружающей среды, с тем чтобы в максимальной мере снизить неизбежные потери тепла и сохранить возможно более высокую температуру.

В случае аккумулятора тепла по-прежнему большое значение имеют его размеры (вспомним критическую массу для ядерного горючего). Чем больше аккумулятор тепла (объем его рабочего тела), тем меньше отношение его поверхности к объему и тем, следовательно, меньше относительные (удельные) потери тепла, например, отнесенные к единице запасенного тепла или к единице массы рабочего тела.

В качестве рабочего тела в аккумуляторах первой группы (аккумуляторов с переменной температурой) чаще всего употребляются жидкости и твердые тела. В случае, когда потребитель нуждается в тепле температурой не выше 100° С (например, для отопления и бытовых нужд), хорошим рабочим телом служит вода. Она имеет большую теплоемкость (примерно 4,2 кДж/кг, или 1,0 ккал/кг), практически несжимаема, поэтому требуется мало энергии на ее прокачку, стоит дешево. Если же потребителю нужно тепло с более высокой температурой, то преимущества воды резко снижаются: в этом случае пришлось бы использовать воду при давлении более высоком, чем атмосферное, и стоимость аккумулятора и его эксплуатации существенно возросли бы. Хорошим рабочим телом для аккумулятора тепла с переменной температурой служат также твердые тела: гравий, щебень, морская галька. В аккумуляторе этого типа нагревание рабочего тела производится путем продувки через него подогретого (например, в солнечном нагревателе) воздуха. В часы разрядки теплового аккумулятора продуваемый через твердое рабочее тело холодный воздух нагревается и переносит полученное от рабочего тела тепло потребителю. Таким образом воздух в данном случае выполняет роль теплоносителя. В тепловых аккумуляторах второй группы (работающих при постоянной температуре и использующих тепло фазового превращения, обычно "твердое тело жидкость") в качестве рабочих тел чаще всего применяются различные

 

 

соли. Например, поваренная соль, температура плавления которой близка к 800° С. В этом случае аккумулятор запасает тепло (при постоянной температуре) в результате плавления соли и отдает его потребителю (опять-таки при постоянной температуре) в процессе замерзания этой соли.

Мы рассмотрели некоторые типы аккумуляторов энергии, находящих применение в настоящее время. Могут возникнуть такие вопросы: как обстоит дело с аккумуляторами, накапливающими непосредственно электрическую энергию без преобразования ее на время "хранения" в другие виды энергии? Есть ли в этой области интересные идеи или, может быть, уже созданы удовлетворяющие запросы энергетики конструкции таких аккумуляторов?

Наши ответы на эти вопросы способны принести скорее огорчение, чем радость: идеи есть, но конструкции такого аккумулятора пока не существует. Более того, трудно даже сказать, когда можно ожидать появления такого аккумулятора.

Но так как имеющиеся по этому вопросу соображения, безусловно, представляют интерес, а разработка желаемой конструкции аккумулятора отнюдь не безнадежна, остановимся на этой проблеме.

Что собой представляет электрический аккумулятор, в котором энергия хранится в виде энергии электрического поля. По существу дела, это не что иное, как электрический конденсатор. Схема устройства показана на (рис. 19.1). Собственно конденсатор состоит из двух электродов, именуемых обкладками, и находящегося между ними диэлектрика. По тому, какой избран диэлектрик, называется тип конденсатора: стеклокерамический, слюдяной, бумажный, пленочный, электролитический, полупроводниковый.

Система обкладок и диэлектрика обладает электрической емкостью. Когда показанный на (рис. 19.1) переключатель замкнут на источник тока (на рисунке внизу), происходит зарядка конденсатора. В заряженном конденсаторе энергия хранится в виде энергии электрического поля диэлектрика. Если переключатель перевести в верхнее положение, т. е. замкнуть электрическую сеть на потребителя, происходит разрядка конденсатора.

 

 

 

Рис. 19.1. Схема конденсатора

 

Ввиду того что удельная энергия, запасаемая конденсатором, очень невелика (практически от 10 до 400 Дж/кг) а длительность хранения энергии вследствие имеющейся ее утечки небольшая, этот тип аккумулятора энергии применяется только в тех случаях, когда надо отдать электроэнергию потребителю за очень короткое время при кратком сроке ее хранения.

Другой вид аккумулятора, запасающего непосредственно электрическую энергию, соленоид — катушка, намотанная из изолированного провода (рис. 19.2). При протекании постоянного тока по обмоткам соленоида возникает, как показано на рисунке, магнитное поле. Электрическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. Поэтому этот тип накопителя именуется электромагнитным.

 

Рис. 19.2. Схема соленоида

 

 

Описанный вид аккумулятора электрической энергии в настоящее время не может быть использован для решения главных энергетических задач, т. е. в случаях, когда количество запасаемой энергии должно быть велико, а время разрядки и время хранения энергии должно быть достаточно длительным (измеряться часами, а еще лучше сутками). На самом деле время выдачи энергии электромагнитными аккумуляторами обычно измеряется даже не секундами, а долями секунды.

 

Следует отметить, что работа по улучшению основных показателей электромагнитных накопителей энергии и расширению диапазона их возможного применения ведется интенсивно. Большой интерес представляет создание сверхпроводящих соленоидов, у которых электрическое сопротивление обмоток равно нулю, что делает возможным использование больших значений электрического тока и, следовательно, увеличение запасаемой аккумулятором энергии.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Введение в специальность: Электроэнергетика: Учеб. для вузов/Под ред. В.А. Веникова. – 2-е изд.,перераб. и доп.-М.:Высш.шк.,1988.-239 с.

2. Энергетика. Современное состояние, проблемы и прогнозы: Учеб. пособие/Под ред. В.К. Федорова. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1996. 68 с.

3. Энергетика в современном мире (В.А. Веников, В.Г. Журавлев, Т.А. Филиппова). – М.: Знание, 1986. – 192 с.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ПЕРВЫЙ ПРИНЦИП ТЕРМОДИНАМИКИ 3

 

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ 13

 

ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ 15

 

ПРИЛИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ 20

 

АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ 21

 

ПЕРСПЕКТИВЫ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 28

 

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

ЭНЕРГИИ 34

 

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ 38

 

РАДИОИЗОТОПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ 39

 

ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ 40

 

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ 42

 

ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 44

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ ЗЕМЛИ 46

 

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО 47

 

НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ

ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

И СПОСОБЫ ЕЕ ПЕРЕДАЧИ 49

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА 54

 

КАК РЕШАЕТСЯ ПРОБЛЕМА АККУМУЛИРОВАНИЯ

ЭНЕРГИИ 60

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 68