Нетрадиционные источники энергии и их использование.

Гидроэлектростанции.

Гидроэнергетическая установка(ГЭУ)- это совокупность гидротехнических сооружений, энергетического и механического оборудования, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и преобразующих гидравлическую энергию воды в электрическую энергию.

Классификация ГЭУ: 1 ) гидроэлектростанции (ГЭС) -основной тип ГЭУ. В зависимости от напора подразделяются на высоконапорные (>80 м), средненапорные(25-80 м) и низконапорные(<25м). По установленной мощности мощные(>250МВт), средние(до 25МВт) и малые (до 5 МВт). В зависимости от размещения здания бывают плотинные, приплотинные, деривационные и смешанные.2) насосные станции (НС) - предназначена для перекачки воды низких отметок воды на высокие и для транспортировки воды в удаленные пункты. На НС устанавливают насосные агрегаты, сост. из насоса и эл. двиг. 3) гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) - гидроэлектростанция, используемая для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки. Во время ночного провала энергопотребления ГАЭС получает из энергосети дешёвую электроэнергию и расходует её на перекачку воды в верхний бьеф (насосный режим). Во время утреннего и вечернего пиков энергопотребления ГАЭС сбрасывает воду из верхнего бьефа в нижний, вырабатывает при этом дорогую пиковую электроэнергию, которую отдаёт в энергосеть (генераторный режим). Опыт использования ГАЭС в целях регулирования электрических режимов показал, что они являются не только генерирующим источником, но и источником оказания системных услуг, способствующих как оптимизации суточного графика нагрузок, так и повышению надёжности и качества электроснабжения.4) Приливная электростанция (ПЭС) - особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Перепады этих уровней создают напор, который используется при работе гидротурбин.

По типу турбин различают ГЭУ: с осевыми турбинами; с диагональными турбинами; с радиально-осевыми турбинами; с ковшовыми турбинами.

Схемы использования гидравлической энергии. ГЭС представляет собой объекты комплексного назначения, обеспечивающие области электроэнергетики и др. обл. Основные виды схем: 1) плотинная, при которой напор создается плотиной.2) деривационная, напор создается с помощью деривации(отведение,отклонение) выполняемой в виде канала, туннеля или трубопровода. 3) комбинированная, где напор создается плотиной и деривацией.

Плотинная схема (рис. I) создания напора, т.е. концентрации перепада в наиболее удобном для использования месте, предусматривает подпор уровня реки путем создания плотины. Образующееся при этом водохранилище используется в качестве регулирующей емкости, позволяющей периодически создавать запасы воды и более полно использовать энергию водотока. Деривационная схема (рис. II) позволяет получить сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон, чем уклон русла. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке. Этой разностью уровней и создается напор гидроэлектростанции. ГЭС, у которых напор частично создается с помощью плотины достаточно большой высоты и частично с помощью деривации, называют комбинированная (комбинированная схема энергоиспользования реки). Выбор схемы энергетического использования водотока - плотинной, деривационной, комбинир.-определ падением реки, расходом воды, топографическими и инженерно-геологическими уровнями русла, поймы и долины. Основное оборудование ГЭС. Для осуществления главной функции ГЭС - выработки электроэнергии-необходимо различное сложное оборудование, от которого зависит эффективность и надежность эксплуатации ГЭС. Это оборудование образует несколько групп. Гидросиловое оборудование ГЭС в качестве основных компонентов включает турбины, и гидрогенераторы. В турбине механическая энергия воды преобразуется в механическую энергию, Предаваемую вращающемуся валу. В гидрогенераторе механическая энергия, получаемая от вала турбины, преобразуется в элекрическую энергию, которая передается в энергосистему. В состав оборудования рассматриваемой группы кроме того входят устройства, связанные с подачей воды на турбину и регулированием ее количества. Комплекс, состоящий из турбины и гидрогенератора, называют гидроагрегатом или просто агрегатом ГЭС. Число агрегатов в здании ГЭС может быть различным и зависит от установленной мощности ГЭС и мощности агрегата. Электрические устройства ГЭС включают токопроводы от генератора, главные силовые трансформаторы, выводы высокого напряжения, открытое распределительное устройство и ряд других систем. Силовые трансформаторы повышают относительно невысокое напряжение гидрогенераторов до значения, требуемого для передачи энергии на большие расстояния (110 - 750 кВ). Выводы высокого напряжения служат для передачи энергии от силовых трансформаторов к открытому распределительному устройству (ОРУ), которое предназначено для распределения вырабатываемой ГЭС электроэнергии между отдельными линиями электропередачи. Механическое оборудование ГЭС включает гидротехнические затворы (см. гл. 8), подъемно-транспортные механизмы, сороудерживающие решетки и т. п. Вспомогательное оборудование состоит из системы технического водоснабжения, пневматического хозяйства, масляного хозяйства, противопожарных и санитарно-технических устройств. Из перечисленного оборудования далее рассмотрим более подробно конструкции турбин. Природоохранные проблемы гидроэнергетики.Строительство плотин и водохранилищ гидроэлектростанций создают такие серьезные проблемы: 1. Плотины препятствуют миграции рыб, движения транспорта, задерживают естественный сток и сток биогенов (азота и фосфора), меняют берега, снижают паводки. 2. Создание водохранилищ вызывает значительное перемещение населения, вырубку лесов, проведение компенсационных работ, безвозвратное изъятие стока для наполнения водоема. 3. Происходит изменение климата в прибрежной полосе (в засушливом климате наблюдается повышение влажности, пик дождливого периода сдвигается с осени на лето и т.д.). 4. Ухудшается качество воды вследствие уменьшения проточности, дефициту кислорода, увеличение азота и фосфора, появления сине-зеленых водорослей, повторного загрязнения. Любое гидротехническое строительство связано, как правило, с вырубкой лесов, уничтожением растительного покрова, сбросом неочищеных сточных вод, остатков горючих и смазочных материалов; при применении гидромеханизации увеличивается помутнение водоемов, создается шум и другие препятствия.

Нетрадиционные источники энергии и их использование.

Ветровая энергия Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Но 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 20–30 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. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, 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 75–95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30–40 % 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 15–30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата. Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – 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. 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. Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие – 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 про­блема: избыток энергии в ветреную погоду и недоста­ток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, кото­рый накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие во­дяную турбину и генератор постоянного или перемен­ного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнета­ния сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Элек­трический ток от ветроагрегата разлагает воду на кис­лород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Энергия солнца. Сегодня для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию мы располагаем двумя возможностями: использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или же непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах. Реализация обеих возможностей пока находится в зачаточной стадии. В значительно более широких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал – для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.Простейшее устройство такого рода–плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше (па 200–500°С), чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт в год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.

Геотермальная энергия. Энергетика земли – геотермальная энергетика базируется на использова­нии природной теплоты Земли. Верхняя часть земной ко­ры имеет термический градиент, равный 20–30 °С в рас­чете на 1 км глубины, и, ко­личество теплоты, содержащейся в земной коре до глу­бины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6^.10²⁶Дж. Эти ресурсы эквивалент­ны теплосодержанию 4,6·10¹⁶ т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6^.10⁹ Дж/т), что бо­лее чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресур­сов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной слишком рассеяна, что­бы 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 энерго­ресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком.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 го­рячей 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 сепарато­ра, 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 извле­чением из нее минералов. Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двух­контурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовав­шийся в результате кипения этой жидкости, использует­ся для привода турбины. Отработавший пар конденси­руется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся маг­ма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны за­стывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скаль­ные породы). Получение геотермальной энергии непо­средственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматри­вают 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 трещино­ватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагрева­ется, извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотрен­ных ранее способов. Геотермальные системы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокими значениями теплово­го потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из сква­жин, может достигать 100 °С.

Тепловая энергия океана. Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸ Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.Последние десятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn ТhеrmalEnergyConversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана – речь идет о преобразовании в электрическую энергию). Пробная эксплуатация установки в течение трех с поло­виной месяцев показала ее достаточную надежность. При непрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелких технических неполадок, обычно возникающих при испытаниях любых новых установок. Ее полная мощность составляла в среднем 48,7 кВт, максимальная –53 кВт; 12 кВт (максимум 15) установка отдавала во внешнюю сеть на полезную нагрузку, точ­нее – на зарядку аккумуляторов. Остальная вырабаты­ваемая мощность расходовалась на собственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трех насосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрической энергии.Три насоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой виды из океана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий – для перекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. из конденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяется аммиак. Энергия приливов и отливов Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см. Максимально возможная мощность в одном цикле прилив – отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением где р – плотность воды, g – ускорение силы тяжести, S – площадь приливного бассейна, R – разность уровней при приливе. Как видно из формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны». Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2–20 МВт. Энергия морских течений Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу). Важнейшее и самое известное морское течение– Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800м, а поперечное сечение 28 км². Энергию Р, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (в ваттах)

где т– масса воды (кг), р – плотность воды (кг/м³), А– сечение (м²), v– скорость (м/с). Подставив цифры, получим Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии от 50 крупных электростанций по 1000 МВт, Но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения. В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, к во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.