Традиционные и альтернативные способы получения электроэнергии

В настоящее время человечество использует все возможные способы получения электроэнергии. Трудно переоценить важность этого ресурса. Причем его потребление растет с каждым днем. По этой причине все больше внимания уделяется нетрадиционным способам получения электроэнергии. В то же время эти источники на данном этапе развития не могут полностью удовлетворить потребности земного населения. В данной статье кратко рассмотрены основные традиционные и альтернативные способы получения электроэнергии.

­

Получение электроэнергии на тепловых электростанциях

Данный способ получения электроэнергии является самым распространенным. Так например, в Российской Федерации на долю тепловых источников приходится почти 80 % всей выработки необходимого ресурса. Идут годы, экологи уже практически кричат о негативном воздействии подобных инженерных сооружений на окружающую среду и на здоровье человека, однако станции, возведенные еще в середине прошлого века (а то и дореволюционные) продолжают снабжать населенные города и крупные промышленные предприятия электричеством.

Тепловые источники относятся к традиционным способам получения электроэнергии. И вот уже на протяжении трех или четырех десятков лет занимают лидирующую позицию в рейтинге по объемам выработки. И это несмотря на бурное развитие альтернативных способов получения электроэнергии.

Среди всех инженерных проектов выделяют особый вид сооружений. Это теплоэлектроцентрали, дополнительная функция которых снабжать дома и квартиры граждан теплом. По подсчетам специалистов, эффективность таких электростанций крайне низкая, а передача вырабатываемого ресурса на дальние расстояния сопряжена с большими потерями.

Выработка энергии осуществляется следующим образом. Твердое, жидкое или газообразное топливо сжигается, разогревая воду в котле до значительных температур. Сила пара приводит во вращение лопасти турбины, в результате чего ротор турбогенератора вращается и происходит выработка электроэнергии.

Электрификация производства энергии. Транспорт

Современные энергетические (в общем понимании) и коммунальные системы становятся все более электрифицированными. Из-за развертывания все большего количества систем распределенной выработки энергии и, соответственно, распределенного ее накопления местные (традиционные) на основе топлива или возобновляемые источники энергии, а также технологии накопления энергии должны быть в состоянии стать взаимосвязанными — для обслуживания объекта, кампуса, города или какого-либо района. В таких случаях для получения электроэнергии могут использоваться, например, генераторы на природном газе, микротурбины, топливные элементы, солнечные фотоэлектрические системы, ветроэнергетические установки, комбинированные системы совместного производства теплоты и энергии (когенерационные установки). Метод накопления охлажденной воды и ее нагрева вместо сжигания ископаемого топлива максимально увеличивает коэффициент использования электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, а также экономическую эффективность систем хранения электрической энергии. В свою очередь, электрические распределительные и передающие системы должны быть в состоянии приспособиться к большей электрификации самих источников энергии и накопительных нагрузок.

Для того чтобы выполнить эти условия, в течение нескольких лет использовались микросети. Как локализованная электрическая сеть, кампусы и другие районы аналогичного размера могут генерировать и накапливать электроэнергию из различных распределенных энергетических ресурсов, включая возобновляемые источники энергии. Уравновешивая ресурсы спроса и предложения (в том числе тепловую и электрическую нагрузку) в пределах определенных границ, именно микросетевая система обеспечивает отказоустойчивость, энергоэффективность и экономию затрат.

Еще один важный момент, который в какой-то момент начал оказывать влияние на нагрузку электросетей, связан с изменением парадигмы личного автотранспорта. По мере того как потребительский выбор смещается в сторону электромобилей и других альтернативных видов транспорта, все более актуальным становится удовлетворение потребности в соответствующей инфраструктуре, направленной на энергоснабжение этих электрифицированных транспортных средств. Подобно изменяющейся мощности возобновляемых источников энергии, переменная нагрузка из-за зарядки электромобилей, вероятно, превысит способность имеющихся систем выработки энергии соответствовать растущему спросу. Легко представить такой вариант развития событий, в котором все сотрудники одновременно приходят на работу и ставят свои электромобили на зарядку — или наоборот, когда люди возвращаются домой в конце дня и тоже подключают их подзарядиться. Интеграция дополнительных ресурсов накопления энергии в электрическую систему может помочь обеспечить требуемую энергию наиболее экономичным способом, используя для этого предварительно запасенную энергию в периоды низкой нагрузки, и система сможет быстро реагировать на повышенное потребление.

Гидроэлектростанции – перспективный способ получения электроэнергии

Строительство сложных инженерных сооружений, предназначенных для преобразования энергии воды в электричество, было начато еще в Российской Империи. С тех пор прошло много лет, а данный источник по-прежнему активно используется. В годы индустриализации СССР (1930-е) по всей стране выросли гидроэлектростанции-гиганты. На строительство этих исполинов (чего стоит только одна Запорожская ГЭС!) были брошены все силы молодой и неокрепшей страны. Инженерные сооружения тех лет по-прежнему эксплуатируются и вырабатывают значительное количество электроэнергии.

В настоящее время государство делает ставку на развитие «зеленых» способов получения электроэнергии. Поэтому активно финансируется возведение современных и очень продуктивных гидроэлектростанций по всей стране. Стратегия строительства некрупных объектов на небольших притоках рек полностью оправдала себя. Одна такая станция может вполне удовлетворить потребности в электроэнергии небольших прилежащих населенных пунктах. В масштабах всей страны это приведет к повышению эффективности народного хозяйства и конкурентоспособности отечественных производителей промышленных товаров.

К недостаткам данной технологии можно отнести большую стоимость таких объектов и очень длительные сроки их окупаемости. Основные затраты приходятся на строительство плотины. А ведь необходимо возвести само здание (административный и машинный корпуса), построить приспособление для сброса воды и так далее. Параметры и состав сооружения зависят от многих факторов: установленной мощности генераторов и напора воды, типа электростанции (плотинная, русловая, деривационная, аккумулирующая, приливная). Гидроэлектростанции на крупных судоходных реках имеют также сложные судоходные шлюзы и каналы для обеспечения миграции рыб к месту нерестилищ.

Системы накопления энергии

Для захвата энергии, произведенной за короткий промежуток времени, с целью ее использования в дальнейшем доступны самые разные средства и технологии. Системы аккумулирования электрической и тепловой энергии являются наиболее распространенными, поэтому при проектировании современных объектов и инженерных систем именно они используются коммунальными предприятиями, которые, в свою очередь, предлагают жильцам зданий такие преимущества, как большая отказоустойчивость, экономия затрат, повышение энергоэффективности и удобство пользования энергией любого типа.

Электрическая энергия

Наибольший рост количества устанавливаемых систем накопления энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как аккумуляторные батареи и конденсаторы. Литий-ионные аккумуляторы быстро стали той рабочей лошадкой, которая обычно используется в современных крупных системах аккумулирования энергии. Кроме того, такие аккумуляторные батареи являются основными компонентами и в быстро растущем парке электромобилей.

В качестве примера эффективной батареи можно привести ту, что построил Илон Маск (Elon Musk) в Австралии. Она была введена в эксплуатацию 1 декабря 2022 г. (рис. 1) [4], и уже 14 декабря ей удалось показать себя в деле во время сбоя на местной угольной электростанции.

Рис. 1. Новая система от Tesla — часть предпринимаемых усилий по решению проблем энергоснабжения в Южной Австралии, жители которой сильно страдают от постоянных скачков напряжения и отключений электросети

Кроме того, разрабатываются так называемые проточные или буферные батареи, которые можно использовать с учетом требуемых пиковой емкости и продолжительности компенсации недостающей энергии. Их роль могут выполнять конденсаторы — устройства, хранящие электрическую энергию в форме электростатического заряда, накопленного на их токопроводящих металлических обкладках без химического преобразования.

Энергия, накопленная в конденсаторе, описывается известной со школьной скамьи формулой:

W = 1/2Q2/C = 1/2C × V2,

где Q — количество заряда, накопленного на конденсаторе, C — емкость конденсатора, а V — напряжение на конденсаторе.

Как видно из приведенного уравнения, максимальное количество энергии, которое может храниться на конденсаторе, зависит от емкости, а также от максимального номинального напряжения конденсатора. Накопленная энергия может быстро высвобождаться из конденсатора благодаря тому, что конденсаторы имеют крайне низкое внутреннее сопротивление. Это свойство часто используется в системах, для которых характерны большие скачки нагрузки. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию (заряжается, не требуя при этом специальных зарядных устройств). При необходимости в порции дополнительной энергии конденсатор отдает накопленную энергию (разряжается), в этом отношении он похож на батарею. Разница в том, что батарея, как уже было сказано, использует электрохимические процессы для накопления энергии, в то время как конденсатор просто хранит электрический заряд. Таким образом, конденсаторы могут выделять накопленную энергию с гораздо более высокой скоростью, чем батареи, поскольку химические процессы для трансформации энергии и ее выхода из батареи требуют больше времени. Однако гораздо чаще конденсаторы используются для компенсации реактивной мощности, приводящей к потерям в энергосетях.

Механические системы

Механические системы накопления энергии преобразуют электрическую энергию в потенциальную или кинетическую и хранят ее в таком виде, превращая обратно в электрическую, когда это необходимо. Обычно системы, основанные на этом подходе, включают крупные гидроаккумулирующие насосы (пример эффективного применения гидроаккумулирующих электростанций показан на рис. 2), механические маховики и устройства для хранения сжатого воздуха.

Рис. 2. Днестровская ГАЭС (Украина). Расчетная проектная мощность в турбинном режиме составляет 2268 МВт (семь гидроагрегатов по 324 МВт), что делает ее седьмой по мощности ГАЭС в мире, расчетный напор воды — 147,5 м

Тепловые системы

Аккумулирование тепловой энергии позволяет накапливать тепловую энергию (горячую или холодную) и позднее использовать ее, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным потреблением или даже в разные климатические сезоны. Чаще всего такая система реализуется в виде емкостей для хранения охлаждающей воды или воды для нагрева (рис. 3), которая может генерироваться в периоды более низкого потребления энергии, а затем отдаваться в пиковое время, поддерживая стратегию ограничения максимальной нагрузки. Другие системы накопления тепловой энергии включают расплавленные соли, хранилище льда и криогенную технику.

Рис. 3. Хранение тепловой энергии поддерживает стратегию ограничения пиковых нагрузок, накапливая охлажденную или нагретую воду, выработанную в периоды с более низким потреблением электроэнергии, для использования в периоды с более высокой нагрузкой. Проект компании Affiliated Engineers

Химические системы

В дополнение к аккумуляторным системам, которые, как правило, основаны на электрохимическом процессе, доступны и другие системы хранения химической энергии, например путем выработки и хранения водорода. Для выработки водорода из воды путем электролиза применяется электрическая энергия. Затем водород сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водородном топливе, или в топливных элементах, опять превращаясь в воду.

Такой подход позволяет накапливать большие объемы энергии, однако он необязательно будет самым эффективным. Проблема в том, что он сам по себе энергозатратный, поскольку требует большого количества энергии для выделения водорода из воды, природного газа или биомассы, хранения газа путем сжатия или сжижения, передачи энергоносителя пользователю. Также часть энергии теряется при преобразовании в полезную электроэнергию с топливными элементами. Наиболее практичным пока остается получение водорода из природного газа — метана, СH4. Один из примеров такой установки показан на рис. 4, но в данном случае все равно требуется энергия для его извлечения. Для практического использования остается только примерно 25%.

Рис. 4. Для получения водорода применяется электролиз, после его генерации водород сжимается или сжижается и хранится для последующего его использования в генераторах или топливных элементах. Изображение предоставлено компанией Affiliated Engineers

Атомная энергетика

Атомной электростанцией сегодня уже никого не удивить. Такие объекты активно стали возводиться еще в СССР. Поэтому эта технология относится к традиционным способам получения электроэнергии.

Атомные станции и в настоящее время активно возводятся не только в России, но и в странах ближнего и дальнего зарубежья. Так, например, компания с русскими корнями «Росатом» финансирует строительство такого источника в Республике Беларусь. К слову, на данной территории эта станция будет первой.

В мире отношение к атомной энергетике весьма неоднозначно. Германия, например, всерьез вздумала полностью отказаться от мирного атома. И это в то время, когда Российская федерация активно инвестирует строительство новых объектов последнего поколения.

Ученые достоверно установили, что залежей ядерного топлива в недрах земли гораздо больше всех запасов углеводородного сырья (нефти и газа). Постоянно нарастающая потребность в углеводородах ведет их удорожание. Именно по этому развитие ядерной энергетики оправдывает себя.

Энергия ветра

Ветровая электроэнергетика в промышленных масштабах возникла относительно недавно и пополнила перечень нетрадиционных способов получения электроэнергии. И это очень перспективная технология. С большой долей вероятности можно утверждать, что в отдаленном будущем ветряки будут вырабатывать столько электроэнергии, сколько необходимо человечеству. И это не пустые слова, ведь по самым скромным оценкам ученых, суммарная сила ветра на поверхности земного шара минимум в сто раз превышает мощность всех водных ресурсов.

Основной проблемой является непостоянство потоков воздуха, что влечет за собой сложности в прогнозировании выработки энергии. На огромной по площади территории России постоянно дуют ветры. И если научиться эффективно и результативно пользоваться этим неисчерпаемым ресурсом, то можно с лихвой удовлетворить все потребности тяжелой промышленности и населения страны.

Несмотря на очевидные плюсы от использования энергии ветра, объем выработки электричества ветровыми электростанциями не превышает и одного процента в общем объеме. Оборудование для этих целей стоит очень дорого, кроме того, такие объекты будут эффективны далеко не в каждом районе, а транспортировка электроэнергии на значительные расстояния сопряжена с большими потерями.

Преимущества, получаемые от использования систем накопления энергии

Системы накопления энергии могут использовать, чтобы поддержать стабильность ее поставок, снизить затраты и обеспечить устойчивость энергетической системы в целом. Возврат инвестиций будет зависеть от местных цен на коммунальные услуги, любых доступных программ стимулирования коммунальных предприятий для пикового сокращения потребления мощности, возможностей выработки энергии на месте и конкретного профиля нагрузки на определенный объект. Инвестиции могут вернуться довольно быстро: так, аккумуляторная батарея Илона Маска, показанная на рис. 1, согласно отчету Renew Economy [4] всего за несколько дней дала заработать владельцам 1 млн австралийских долларов, или $800 тыс. При этом Австралия является одним из лидеров по развитию возобновляемой энергетики, и наличие эффективного способа хранить такую энергию делает ее крайне дешевой.

Еще одно преимущество систем накопления энергии — их быстрое реагирование. Большинство технологий хранения могут компенсировать нехватку мощности электроэнергии в сети очень быстро, в то время как источники на основе ископаемого топлива имеют тенденцию довольно медленно увеличивать добавочную мощность. Такая скорость важна для обеспечения стабильного энерго­снабжения в случаях, когда происходит неожиданное резкое увеличение нагрузки. В качестве шутки, хорошо иллюстрирующей проблему, можно привести эпизод из известного фильма «Рождественские каникулы» (“National Lampoon’s Christmas Vacation”, 1989), где Кларк Гризволд неожиданно включил все 25 тыс. лампочек рождественской иллюминации. Пришлось запустить дополнительный атомный реактор на АЭС, до его подключения часть районов города оказалась обесточенной.

Резервное питание

Системы накопления энергии могут служить надежным источником резервного питания на случай потери питания от электросети из-за тяжелых погодных условий или иных проблем. Помогая объектам оставаться в рабочем состоянии, такие системы исключают потери из-за сокращения времени простоя и обеспечивают повышенную устойчивость к критическим ситуациям. Один из примеров — источник бесперебойного питания, но возможен и больший масштаб.

Ограничение пика и сдвиг нагрузки

Функциональность систем накопления энергии типа «потребность — ответ» позволяет им участвовать в стимулирующих поставщиков коммунальных услуг программах энерго­потребления, которые направлены на снижение использования энергии в периоды пиковой нагрузки на электрическую сеть.

Цена на энергию, как правило, обычно самая высокая в периоды пикового спроса. Ограничение максимума пиковых нагрузок обычно достигается путем смещения ряда нагрузок на время более низкого спроса на электроэнергию, например за счет ценового стимулирования потребителя с использованием многотарифных счетчиков потребляемой электроэнергии. Однако если сами нагрузки или время их работы не могут быть скорректированы по времени, следует рассмотреть вопрос о применении той или иной технологии накопления энергии.

Именно системы накопления энергии могут поддерживать сглаживание потребления электрической мощности для снижения затрат на электроэнергию. При этом, например, аккумуляторная батарея может заряжаться в периоды низкой нагрузки — в ночное время или в периоды более низкого потребления в течение дня, а также, как батарея Илона Маска (рис. 1), с использованием альтернативных источников энергии. Затем такая батарея разряжается во время периодов высокой нагрузки или аварийного отключения, смягчая воздействие больших нагрузок и сбоев напряжения в пределах объекта или энергосистемы в целом. Такой подход наиболее экономически эффективен для коммунальных потребителей, чей тариф основан на пиковом спросе энергопотребления.

Сдвиг нагрузки (также называемый «управлением тарифами») подобен пиковому сокращению потребляемой мощности, но вместо того, чтобы фокусироваться исключительно на пиковых ценах, он направлен на снижение общих затрат на кВт·ч. По сути, он использует разницу между низкой и высокой стоимостью энергии, сохраняя энергию при низких затратах и отдавая при высоких. Сдвиг нагрузки обычно обеспечивает дополнительную ценность для системы, которая уже предоставляет другие преимущества, такие как ограничение пика (максимума) нагрузки.

Возобновляемая энергия и ее проблемы

Когда возобновляемый источник энергии не может удовлетворить текущую потребность в мощности по причине неподходящих погодных условий (отсутствие достаточных солнечного света или силы ветра) или доступная генерация не соответствует пиковым потребностям в энергии, система накопления энергии может эти разрывы компенсировать, при этом поставка дополнительной энергии от традиционных источников электроэнергии не потребуется. Без накопления энергии или других управляемых источников генерации колебания возобновляемых источников энергии могут создать разрушительные дисбалансы, препятствующие поддержанию стабильности энергосистемы.

Рис. 5. Одна из десяти крупнейших солнечных электростанций Topaz Solar Farm в 2015 г., Калифорния, США [5]

Накопитель энергии также забирает себе избыточную энергию, выработанную возобновляемыми источниками, храня ее до периодов высокого спроса. Это скорее относится к районам с большим количеством солнечных установок, таким как Калифорния (рис. 5), где электрическая сеть насыщается фотоэлектрической энергией даже в то время, когда ее невозможно полностью использовать. График, описывающий потребление энергии, исходя из его формы, часто называют duck curve (буквально — «кривая в форме утки», рис. 6).

Рис. 6. График в виде профиля утки отображает нагрузку по чистой мощности в течение дня, иллюстрируя периоды потенциального перепроизводства и дефицита электроэнергии. Изображение предоставлено компанией Affiliated Engineers

«Кривая в форме утки» отражает полезную нагрузку в течение дня. Происхождение этого термина можно проследить по данным, приводимым California Independent System Operator (Калифорнийским независимым системным оператором) начиная с 2012 г. [2]. Этот некоммерческий независимый системный оператор контролирует работу энергосистемы, линий электропередачи и рынка электроэнергии. Для более подробного объяснения рассмотрим области, где пиковый спрос на энергию возникает после захода солнца, т. е. когда солнечная энергия больше не доступна. В тех случаях, когда энергосистема в основном использует солнечную энергию (в дневное время), в другое время суток должны быть доступны иные источники, которые смогут принять на себя нагрузку в пиковое время потребления мощности.

Кривая спроса на электроэнергию, представляющая общую нагрузку за вычетом мощности, вырабатываемой солнечной энергетикой, как уже было сказано, напоминает силуэт утки. В точке пикового спроса требуется один из двух вариантов энерго­снабжения. Коммунальные службы, для того чтобы принять меры в нужный момент и в том месте, где в реальном времени прекратилось производство фотоэлектрической энергии, должны либо подключать другие источники ее генерации, либо полагаться на накопители энергии. Поскольку хранение энергии — гораздо более гибкое и быстрое, а также более экономичное и устойчивое решение, оно, безусловно, является и наиболее предпочтительным вариантом.

По мере того как феномен кривой в форме утки становится все более распространенным, растет несоответствие почасовых тарифов на энергию. В Калифорнии за последние три года суточные тарифы на электроэнергию по сравнению с прежней ценой за МВт·ч удвоились, и это при том, что цена электроэнергии в полдень из-за ее избыточной генерации солнечными электростанциями резко снизилась до $15 за МВт·ч. Аккумуляторная батарея может помочь смягчить эти проблемы и сгладить изменчивость стоимости электроэнергии в зависимости от времени суток.

Качество электрической энергии

Системы накопления энергии обладают еще одним важным преимуществом — возможностью частотного регулирования. Это позволяет конкретному объекту поддерживать работу энергосистемы в целом и решать одну из ее основных задач, а именно обеспечивать постоянную частоту генерируемого напряжения переменного тока. Как известно, электрическая система все время находится в динамическом состоянии и постоянно балансирует между предложением (генерацией) и спросом (потреблением). Способность отдельной системы накопления энергии поглощать или высвобождать энергию, а также быстро компенсировать пики потребления представляет собой потенциальную услугу балансирования, приносящую доход, и необходимую дополнительную защиту от проблем, связанных со снижением качества электроэнергии, что часто является характерной чертой систем генерации энергии из возобновляемых источников.

Повышение платы за коммунальные услуги часто связано с нагрузками на объекты с низким коэффициентом мощности. Более высокая стоимость обусловлена более низким коэффициентом мощности, а низкие коэффициенты мощности могут вызвать проблемы с качеством электроэнергии. Система накопления энергии может повысить коэффициент мощности объекта, одновременно обеспечивая улучшение качества электроэнергии и экономию на ежемесячных счетах за коммунальные услуги.

Геотермальная энергетика

Освоение геотермальных источников ознаменовало новую веху в истории развития альтернативных способов получения электроэнергии.

Принцип выработки электроэнергии заключается в поступлении кинетической и потенциальной энергии пара горячей воды подземного источника в лопасти турбины генератора, которая посредством вращательных движений производит ток. В теории разница температур на поверхности и в глубине земной коры характерна для любого участка. Однако она, как правило, минимальна, и использовать ее в целях получения электроэнергии не представляется возможным. Возведение таких станций оправдано лишь в определенных районах нашей планеты (сейсмически активных). Первопроходцем в освоении этого способа является Исландия. Земли русской Камчатки также могут использоваться в этих целях.

Принцип получения энергии заключается в следующем. Горячая вода из недр земли поступает на поверхность. Давление здесь значительно ниже, что приводит к закипанию воды. Отделяющийся пар направляется по трубопроводу и вращает лопасти турбин генератора. Трудно дать прогноз на будущее по этому современному способу получения электроэнергии. Возможно такие станции начнут массово строиться на территории Российской Федерации, а возможно эта идея со временем затухнет и о ней никто и не вспомнит.

Виды источников энергии в будущем

Термоядерная энергетика

Альтернативные источники энергии полученные из природных ресурсов очень эффективны. Однако все-таки самые мощные энергетические источники будут созданы человеком. Например, это касается нового научного проекта, который предполагает создание термоядерного реактора, который будет способен воссоздавать процесс, происходящий внутри звезды. По всем прогнозам это будет наиболее мощный источник энергии, когда-либо созданный человеком.

Изначально запуск реактора был на 2016 год. Однако сложность используемых технологических решений потребовала отсрочки запуска проекта. Сейчас специалисты говорят о том, что он может быть введен в действие не раньше 30-40 годов двадцать первого века.

Антивещество как источник энергии

Данный способ получения энергии еще не так давно можно было отнести к разряду фантастики. Однако современные технологии, по мнению многих специалистов, позволят использовать антивещество в качестве источника энергии уже в ближайшем будущем.

Как известно антивещество представляет собой материю, состоящую из античастиц. Она имеет такую же массу, как и обыкновенная материя но при этом обладает противоположным атомным свойством (процесс известен как заряд и спин).

Получать энергию из антивещества можно путем сталкивания разных частиц, что приводит высвобождению огромного количества энергии. Это процесс был описан и просчитан известным физиком Альбертом Эйнштейном.

Энергия антивещества уже сейчас используется в медицине, однако в будущем она будет задействована как сверхмощный энергетический источник. Однако до этого ученым придется решить еще множество технических вопросов. В том числе как получить необходимые антивещества. Как его хранить, чтобы это было надежно и безопасно.

Освоение тепловой энергии океана

Мировой океан поражает воображение своими масштабами. Специалисты не могут дать даже приблизительную оценку величине аккумулируемой в нем тепловой энергии. Понятно лишь одно – колоссальный объем ресурсов остается незадействованным. В настоящее время уже построены прототипы электростанций, которые преобразовывают энергию тепла вод океана в ток. Однако это опытные проекты, и нет никакой уверенности, что это направление энергетики получит дальнейшее развитие.

Приливы и отливы на службе электроэнергетики

Преобразование мощной силы отливов и приливов в ценные производные является новым способом получении электроэнергии. Природа этих явлений в настоящее время известна и не вызывает того благоговейного трепета, который возникал у наших предков. Виной всему – воздействие магнитного поля верного спутника планеты – Луны.

Наиболее заметными приливные и отливные течения вод наблюдаются на мелководьях морей и океанов, а также в руслах рек.

Первая станция, действительно давшая результат, была возведена в далеком 1913 году в Великобритании неподалеку от Ливерпуля. С тех пор многие страны пытались повторить опыт, но в итоге отказывались от этой затеи по разным причинам.

Приливные электростанции.

Уровень воды в течение суток меняет 4 раза, такие колебания особенно заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. ПЭС двустороннего действия (турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно) способны вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 часов с перерывами в 1-2 часа четыре раза в сутки.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2,5 раза превосходит расходы на возведение ГЭС такой же мощности, первый опыт эксплуатации приливной электростанции оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется. В 1968 году на Баренцевом море вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место её строительства – Кислая губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется также использовать огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м. В 1985 году была пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м.

С точки зрения экологии ПЭС имеют бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

Солнечная энергия

По сути дела, все природные топливные ископаемые были образованы миллионы лет назад с участием и под воздействием солнечных лучей. Таким образом, можно сказать, что человечество давно и активно пользуется продуктами, получаемыми от солнца. Собственно говоря, и наличием рек и озер мы обязаны этому неиссякаемому источнику, который обеспечивает кругооборот воды. Однако под современной солнечной энергетикой понимается не это. Относительно недавно ученые смогли разработать и произвести специальные батареи. Они вырабатывают электричество при попадании на их поверхность солнечных лучей. Данная технология относится к альтернативному способу получения электроэнергии.

Солнце, пожалуй, является самым мощным источником из всех ныне известных. За три дня планета Земля получает столько энергии, сколько не содержится во всех разведанных и потенциальных месторождениях всех видов тепловых ресурсов. Однако поверхности земной коры достигает лишь 1/3 этой энергии, а большая часть рассеивается в атмосфере. И все же речь идет о колоссальных объемах. По подсчетам специалистов, один небольшой водоем получает столько энергии, сколько вырабатывает довольно крупная тепловая электростанция.

В мире имеются установки, которые используют энергию солнечных лучей для получения пара. Он приводит во вращение генератор и вырабатывается электричество. Однако подобные установки являются большой редкостью.

Независимо от того, по какому принципу вырабатывается электроэнергия, установка должна оснащаться коллектором – устройством для концентрации солнечных лучей. Наверняка многие видели собственными глазами солнечные батареи. Создается впечатление, что они находятся под темным стеклом. Оказывается, подобное покрытие и являет собой простейший коллектор. Принцип его работы основывается на том, что темный прозрачный материал пропускает солнечные лучи, но задерживает и отражает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Внутри батареи расположены трубки с рабочим веществом. Так как тепловое излучение не пропускается сквозь темную пленку, то температура рабочих жидкостей значительно превышает температуру окружающей среды. Следует отметить, что подобные решения эффективно работают лишь в тропических широтах, где нет необходимости поворачивать коллектор вслед за солнцем.

Еще одна разновидность покрытия – вогнутое зеркало. Такое оборудование является весьма дорогостоящим решением, поэтому оно и не нашло широкого применения. Такой коллектор может обеспечить нагрев до трех тысяч градусов по Цельсию.

Данное направление бурно развивается. В Европе уже никого не удивишь домами, отключенными от электрических сетей. Однако в промышленных масштабах электроэнергия этим методом не вырабатывается. На крышах таких домов красуются солнечные батареи. Это весьма сомнительное вложение. В лучшем случае, установка такого оборудования окупится лишь за десть лет эксплуатации.

Лекция №3. Современные способы получения электрической энергии

Раздел 3

Лекция №3

Современные способы получения электрической энергии

Развитие технологии и техники шагнули далеко вперед, что дало возможность создать новые источники генерации электрической энергии. Среди основных видов генерации электроэнергии специалисты выделяют следующие: тепловую, ядерную, гидроэнергетику и альтернативные виды электроэнергетики. Осуществляется этот процесс на электрических станциях.

В случае тепловой генерации электрическую энергию получают в результате сгорания различных видов органического топлива. Таким способом электроэнергию добывают на тепловых электростанциях (ТЭС). Тепловые электростанции бывают двух видов: конденсационные (КЭС) и теплофикационные (ТЭЦ). На теплофикационных электростанциях производится выработка как тепловой, так и электрической энергии. Принципы работы конденсационных и теплофикационных электростанций довольно схожи между собой. Их основное различие заключается в том, что на теплофикационных электростанциях используется часть нагретого пара для теплоснабжения.

Ядерная энергетика представлена атомными электростанциями (АЭС). Очень часто ядерную энергетику не выделяют отдельно, а воспринимают как подвид тепловой электроэнергетики. Это обусловлено тем, что принцип выработки на атомной электростанции фактически такой же, как и на тепловой.

Следующий способ генерации электроэнергии представляет собой гидроэнергетику. Весь процесс проходит соответственно на гидроэлектростанциях (ГЭС). Здесь для получения электрической энергии используется кинетическая энергия водного течения. Среди разновидностей гидроэлектростанций стоит отметить гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Фактически их нельзя назвать мощными источниками электрической энергии, так как при своей работе они потребляют практически столько энергии, сколько и производят. Однако в некоторых случаях именно они используются для разгрузки сети.

Еще одним способом генерации электрической энергии является альтернативная энергетика. Как видно из ее названия, она включает в себя различные нетрадиционные, или альтернативные, источники электрической энергии. Многие из них разрабатывались различными учеными с целью экономии природных ресурсов планеты или для того, чтобы снизить вред от выработки электрической энергии для окружающей среды. Так, например, в ветроэнергетике электрическую энергию добывают из кинетической энергии ветра. В гелиоэнергетике электрическую энергию получают из энергии солнечных лучей. Существует также и геотермальная энергетика. В этом случае для выработки электрической энергии используется тепло Земли.

Производство электроэнергии является отдельной отраслью промышленности. В настоящее время наибольшую долю электроэнергии производят на трех видах электростанций:

· ТЭС (теплоэлектростанция)

· ГЭС (гидроэлектростанция)

· AЭС (атомная электростанция)

Тепловые конденсационные электрические станции

Тепловые конденсационные электрические станции (КЭС

) 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 движущиеся с большой скоростью частиц рабочего тела.

На тепловых электростанциях химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется в парогенераторе (котле) в энергию водяного пара, приводящего во вращение турбоагрегат (паровую турбину, соединенную с генератором). Механическая энергия вращения преобразуется генератором в электрическую. Топливом для электростанций служат уголь, торф, горючие сланцы, а также газ и мазут. В отечественной энергетике на долю КЭС приходится до 60% выработки электроэнергии.

На одном валу с турбиной располагается генератор. На ТЭС турбинные и котельные агрегаты вместе с вспомогательным оборудованием соединяют в независимые блоки. Число блоков на станции обычно достигает 8—12, а мощность станции 4000—6000 МВт. Блок представляет собой как бы отдельную электростанцию. Связей между соседними блоками по технологическим линиям обычно не предусматривается. Построение КЭС по блочному принципу дает определенные технико-экономические преимущества, такие как, упрощение технологической схемы, удобство расширения электростанции блоками, сокращение объема строительных и монтажных работ, уменьшение капитальные затраты на сооружение электростанции.

Применение крупных агрегатов позволяет обеспечить быстрое наращивание мощностей электростанции, приемлемую себестоимость электроэнергии. Предельная мощность КЭС определяется условиями водоснабжения и влиянием выбросов станции на окружающую среду.

На рисунке 3.1 показан общий вид блока современной КЭС. Технологическая схема КЭС состоит из нескольких систем: топливоподачи; топливоприготовления; основного пароводяного контура вместе с парогенератором и турбиной; циркуляционного водоснабжения, водоподготовки, золоулавливания и золоудаления и, наконец, электрической части станции.

Работу главных агрегатов блока обеспечивают вспомогательные машины, для приведения в действие которых расходуется электроэнергия. На ТЭС электроэнергия расходуется на приготовление топлива, подачу воды в котлы, управление оборудованием и т. п. Механизмы и установки, обеспечивающие нормальное функционирование всех этих элементов, входят в так называемую систему
собственныхнужд
станции. Мощность, расходуемая на собственные нужды блока, составляет 4—8% от его мощности.

Рисунок 3.1. Принципиальная технологическая схема КЭС: 1‑склад топлива и система топливоподачи; 2‑система топливоприготовления; 3‑парогенератор; 4‑турбина; 5‑конденсатор; 6‑циркуляционный насос; 7‑конденсатный насос; 8‑питательный насос; 9‑горелки парогенератора, 10‑вентилятор; 11‑дымосос; 12‑воздухоподогреватель; 13‑водяной экономайзер; 14‑подогреватель низкого давления; 15‑деаэратор; 16‑подогреватель высокого давления.

Наибольшие энергетические потери на КЭС имеют место в основном пароводяном контуре, а именно в конденсаторе, где отработавший пар, содержащий еще большое количество тепла, затраченного при парообразовании, отдает его циркуляционной воде. Тепло с циркуляционной водой уносится в водоемы, то есть теряется. Эти потери в основном определяют КПД электростанции, составляющий даже для самых современных КЭС не более 40 ‑ 42%.

Электроэнергия, вырабатываемая электростанцией, выдается на напряжении 110 ‑ 750 кВ и лишь часть ее отбирается на собственные нужды через трансформатор собственных нужд, подключенный к выводам генератора. Генераторы и повышающие трансформаторы соединяют в блоки и подключают к распределительному устройству высокого напряжения.

Турбины

. Полученный в парогенераторах перегретый пар при температуре ~600°С и давлении 30 МПа по паропроводам передается в сопла. Сопла предназначены для преобразования внутренней энергии пара в кинетическую энергию упорядоченного движения молекул.

После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Если турбина активная, то между ее рабочими лопатками расширения пара не происходит, следовательно, давление пара не меняется. Абсолютная скорость движения пара уменьшается вследствие вращения турбины.

У реактивной турбины происходит расширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток. В зависимости от показателей расширения пара в каналах турбины характеризуют степенями реактивности.

Конденсаторы

. Пар, выходящий из турбины, направляют для охлаждения и конденсации в специальные устройства, называемые конденсаторами. Конденсатор представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конденсатор обычно при температуре 10-15ºС, а выходящая из него – при температуре 20-25ºС. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и снизу удаляется. Давление в конденсаторе поддерживается в пределах 3-4 кПа, что достигается охлаждением пара.

Расход охлаждающей воды составляет примерно 50-100 кг на 1 кг пара. На электростанции мощностью 1ГВт расходуется 40м3/с охлаждающей воды, что примерно равно расходу воды в Москве-реке.

Если воду для охлаждения пара забирают из реки, подают в конденсатор, а затем сбрасывают в реку, то такую систему водоснабжения называют прямоточной. В случаях, когда воды в реке не хватает, сооружают пруд. С одной стороны пруда вода подается в конденсатор, а в другую сторону пруда сбрасывается нагретая в конденсаторе вода.

В замкнутых циклах водоснабжения для охлаждения воды, нагретой в конденсаторе, сооружают градирни

, представляющие собой устройства высотой примерно 50 м. Вода вытекает струйками из отверстий лотков, разбрызгивается и, стекая вниз, охлаждается. Внизу расположен бассейн, в котором вода собирается и затем насосами подается в конденсатор.

Основными особенностями КЭС являются — значительная удаленность от непосредственных потребителей электроэнергии, что определяет в основном выдачу мощности на высоких и сверхвысоких напряжениях, и блочный принцип построения электростанции. Место расположения электростанции зависит не только от условий снабжения ее первичными энергоресурсами, но и от наличия в достаточном количестве воды. Мощность современных КЭС обычно такова, что каждая из них может обеспечить электроэнергией крупный район страны. Отсюда еще одно название электростанций этого типа — государственная районная электрическая станция

(
ГРЭС
).

Теплоэлектроцентрали

Производство электрической энергии на тепловых станциях сопровождается большими потерями тепла. В то же время многим отраслям промышленности, таким, как химическая, текстильная, пищевая, металлургическая, и ряду других тепло необходимо 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

(
ТЭЦ
). Этот вид электростанций предназначен для централизованного снабжения промышленных предприятий и городов электроэнергией и теплом. Особенности технологической схемы ТЭЦ показаны на рисунке 3.2.

Отработанный в турбинах конденсационных станций пар имеет температуру 25-30ºС, и поэтому он непригоден для использования в технологических процессах на предприятиях.

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 приведение в движение турбины и параметры его понизятся, производится отбор некоторой доли пара для потребителей. Оставшаяся доля пара далее обычным порядком используется в турбине и затем поступает в конденсатор.

Рисунок 3.2. Особенности технологической схемы ТЭЦ:

1- сетевой насос; 2 — сетевой подогреватель

При такой комбинированной выработке электроэнергии и тепла достигается значительная экономия топлива по сравнению с раздельным энергоснабжением, то есть выработкой электроэнергии на КЭС и получением тепла от местных котельных. Поэтому ТЭЦ получили широкое распространение в районах (городах) с большим потреблением тепла и электроэнергии. Благодаря более полному использованию тепловой энергии к. п.д. ТЭЦ достигает 60-65%, а к. п.д. КЭС – не более 40%.

Горячая вода и пар под давлением, достигающем в отдельных случаях 3 МПа, доставляются потребителям по трубопроводам. Совокупность трубопроводов, предназначенных для передачи тепла, называется тепловой сетью

.

Основное отличие заключается в специфике пароводяного контура и способе выдачи электроэнергии. Специфика электрической части ТЭЦ определяется положением электростанции вблизи центров электрических нагрузок. В этих условиях часть мощности может выдаваться в местную сеть непосредственно на генераторном напряжении. Избыток мощности выдается, как и в случае КЭС, в энергосистему на повышенном напряжении.

Существенной особенностью ТЭЦ является также повышенная мощность теплового оборудования по сравнению с электрической мощностью электростанции с учетом выдачи тепла. Это обстоятельство предопределяет больший относительный расход электроэнергии на собственные нужды, чем на КЭС.

Газотурбинные установки.

На отечественных тепловых станциях начинают широко использовать газотурбинные установки

(
ГТУ
). В качестве рабочего тела в таких установках используется смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. В газовых турбинах происходит преобразование тепловой энергии газов в кинетическую энергию вращения ротора турбины.

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.

Рисунок 3.3. Принципиальная технологическая схема электростанции с газовыми турбинами.

КС — камера сгорания; КП — компрессор; ГТ — газовая турбина; Г — генератор; Т — трансформатор; Д — пусковой электродвигатель.

Основу современных газотурбинных электростанций составляют газовые турбины мощностью 25-100 МВт. Упрощенная принципиальная схема блока газотурбинной электростанции представлена на рисунке 3.3.

Топливо (газ, дизельное горючее) подается в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается сжатый воздух. Горячие продукты сгорания отдают свою энергию газовой турбине, которая вращает компрессор и синхронный генератор.

Запуск установки осуществляется при помощи разгонного двигателя и длится 1‑2 мин, в связи с чем газотурбинные установки отличаются высокой маневренностью и пригодны для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах. Общий КПД газотурбинных электростанций составляет около 30%.

Парогазовые установки

Отработанные газы, покидающие газотурбинную установку, имеют высокую температуру, что неблагоприятно сказывается на к. п.д. термодинамического цикла. Для повышения экономичности газовых турбин разработаны парогазовые установки

(
ПГУ
). В них топливо сжигается в топке парогенератора, пар из которого направляется в паровую турбину. Продукты сгорания из парогенератора, после того как они охладятся до необходимой температуры, направляются в газовую турбину. Таким образом, ПГУ имеет два электрических генератора, приводимых во вращение: один — газовой турбиной, другой — паровой турбиной. При этом мощность газовой турбины составляет около 20% паровой.

Совмещение газо — и паротурбинных агрегатов таким образом, что в них происходит совместное использование тепла, получаемого при сжигании топлива, позволяет на 8-10 % повысить экономичность работы установки, называемой парогазовой, и снизить её стоимость на 25%.

Парогазовые установки, использующие два вида рабочего тела – пар и газ – относятся к бинарным. В них часть тепла, получаемого при сжигании топлива в парогенераторе, расходуется на образование паранеобходимых параметров, который затем направляется в паровую турбину (рис.3.28). Охлажденные до температуры 650-700ºС газы попадают на рабочие лопатки газовой турбины. Отработанные в турбине газы используются для подогрева питательной воды, что позволяет уменьшить расход топлива и повысить к. п.д. всей установки, который может достичь примерно 44%.

Лекция №4

Гидравлические электростанции

На гидравлических электростанциях (ГЭС

) для получения электроэнергии используется энергия водных потоков (рек, водопадов и т. д.). В настоящее время на ГЭС вырабатывается около 15% всей электроэнергии. Более интенсивное строительство этого вида станций сдерживается спецификой размещения гидроресурсов по территории РФ (большая часть их сосредоточена в восточной части страны).

Первичными двигателями на ГЭС являются гидротурбины, которые приводят во вращение гидрогенераторы. Мощность, развиваемая гидроагрегатом, пропорциональна напору Н

и расходу воды
Q
:

Р

=
Н
·
Q
,

где Q

– расход, м3/с,

Н

– напор, м.

Мощность гидростанции тем больше, чем большее колическтвоводы поступает на лопатки гидротурбины Q

и чем большее давление
Н
она имеет.

Для увеличения напора Н создаются искусственные гидротехнические сооружения. На равнинных реках напор создается с помощью плотины. Водное пространство перед плотиной называется верхним бьефом, а ниже плотины — нижним бьефом (рисунок 3.4). Разность уровней верхнего (УВБ) и нижнего бьефа (УНБ) определяет напор Н

. В состав гидроузла на равнинной реке входят: плотина, здание электростанции, водосбросные, судопропускные (шлюзы), рыбопропускные сооружения и др.

На горных реках сооружаются ГЭС, которые используют большие естественные уклоны реки. Однако при этом обычно приходится создавать систему деривационных сооружений — обводных каналов. К ним относятся сооружения, направляющие воду в обход естественного русла реки: деривационные каналы, туннели, трубы.

В электрической части ГЭС во многом подобны конденсационным электростанциям. Как и КЭС, гидроэлектростанции обычно удалены от центров потребления, так как место их строительства определяется в основном природными условиями. Поэтому электроэнергия, вырабатываемая ГЭС, выдается на высоких и сверхвысоких напряжениях (110 — 500 кВ). Отличительной особенностью ГЭС является небольшое потребление электроэнергии на собственные нужды, которое обычно в несколько раз меньше, чем на ТЭС. Это объясняется отсутствием на ГЭС крупных механизмов в системе собственных нужд. Расход электроэнергии вызван техническим водоснабжением, управлением гидротехническим и электротехническим оборудованием, охлаждением генераторов и т. п. На крупных ГЭС собственное потребление электроэнергии составляет доли процента от общей выработки.

Рисунок 3.4. Принципиальная технологическая схема ГЭС.

В гидравлических турбинах происходит преобразование энергии воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если принцип её работы основан на использовании динамического давления воды, и реактивной, если используется статическое давление при реактивном эффекте.

В современной гидроэнергетике преимущественно используются три типа турбин:

1. Радиально-осевая турбина (турбина Френсиса). Лопатки рабочего колеса этой турбины имеют сложную кривизну, благодаря чему вода, поступающая на лопатки с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. Число лопаток у таких турбин 10-30. Радиально-осевая турбина выполняется на мощности свыше 100 МВт.

2. Поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана). Рабочее колесо турбины выполняется в форме винта пропеллера, лопасти которого в зависимости от нагрузки могут поворачиваться для достижения наибольшего к. п.д. Турбина была предложена в 1913г. чешским учёным Капланом.

3. Ковшовая турбина (турбина Пельтона). Лопатка турбины выполнена в форме сдвоенного ковша с острым ножом посредине. В ковшах происходит изменение направления скорости движения воды на 180º, вследствие чего на лопатки действуют центробежные силы. Для наиболее полного преобразования энергии воды в механическую энергию турбины скорость движения лопаток выбирается такой, что на их выходе абсолютная скорость движения воды равна нулю.

При сооружении ГЭС одновременно с энергетическими решаются важные народнохозяйственные задачи: орошение земель и развитие судоходства, обеспечение водоснабжения крупных городов и промышленных предприятий.

Технология производства электроэнергии на ГЭС довольно проста и легко поддается автоматизации. Пуск агрегата ГЭС занимает не более 50 с, поэтому резерв мощности в энергосистеме целесообразно обеспечить именно этими агрегатами.

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 увеличивается на необходимую величину их мощность.

Коэффициент полезного действия ГЭС обычно составляет около 85-90%. Благодаря меньшим эксплуатационным расходам себестоимость электроэнергии на ГЭС, как правило, в несколько раз меньше, чем на тепловых электростанциях.

Гидроаккумулирующие электростанции

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

График нагрузки некоторого района или города, представляющий собой изменение во времени суммарной мощности всех потребителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одни часы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие часы часть генераторов или электростанций должна быть отключена или должна работать с уменьшенной нагрузкой. Количество электростанций и их мощность определяются относительно непродолжительным максимумом нагрузки потребителей. Это приводит к недоиспользованию оборудования и к удорожанию энергосистем. Так, снижения числа часов использования установленной мощности крупных ТЭС с 6000 до 4000 ч в год приводит к возрастанию себестоимости вырабатываемой электроэнергии на 30-35%.

В промышленно развитых странах большая часть электроэнергии (80 %) вырабатывается на тепловых электростанциях, для которых наиболее желателен равномерный график нагрузки. Агрегаты тепловых станций плохо приспособлены к регулированию мощности. Обычные паровые котлы и турбины на этих станциях допускают изменение нагрузки всего лишь но 10-15%.

Особую роль в современных энергосистемах выполняют гидроаккумулирующие станции (ГАЭС

), служащие для решения задачи снятия пиков нагрузки. Эти электростанции имеют как минимум два бассеина — верхний и нижний с определенными перепадами высот между ними (рисунок 3.5). В интервалы времени, когда электрическая нагрузка в объединённых системах минимальна, ГАЭС перекачивает воду из нижнего водохранилища в верхнее и потребляет при этом электроэнергию из системы. В режиме непродолжительных «пиков» — максимальных значений нагрузки – ГАЭС работает в генераторном режиме и расходует запасённую в верхнем водохранилище воду.

Рисунок 3.5. Схема ГАЭС

В здании ГАЭС устанавливаются так называемые обратимые гидроагрегаты. В часы минимума нагрузки энергосистемы генераторы ГАЭС переводят в двигательный режим, а турбины — в насосный. Потребляя мощность из сети, такие гидроагрегаты перекачивают воду по трубопроводу из нижнего бассейна в верхний. В период максимальных нагрузок, когда в энергосистеме образуется дефицит генераторной мощности, ГАЭС вырабатывает электроэнергию. Сбрасывая воду из верхнего бассейна, турбина вращает генератор, который выдает мощность в сеть.

ГАЭС стали особенно эффективными после появления обратимых гидротурбин, выполняющих функции и турбин, и насосов. Количество машин в этом случае сведено к минимуму – к двум. Однако станции с двухмашинной компоновкой имеют более низкое значение к. п.д. из-за необходимости создавать в насосном режиме примерно в 1,3 — 1,4 раза больший напор на преодоление трения в водоводах. В генераторном режиме величина напора меньше из-за трения в водоводах. Для того чтобы агрегат одинаково работал как в генераторном, так и в насосном режимах, можно в насосном режиме увеличить его частоту вращения. Применение разных частот вращения в обратимых генераторах приводит к усложнению и удорожанию их конструкций.

Таким образом, применение ГАЭС помогает выравнивать график нагрузки энергосистемы, что повышает экономичность работы тепловых и атомных электростанций.

Приливные электростанции

Существует значительное число проектов энергетического использования энергии морей и океанов: волновые энергетические установки, использующие энергию волн; океанические тепловые станции, основанные на разности температур морской воды на поверхности и на глубине; установки, использующие энергию океанических течений. Однако пока промышленное использование получили лишь приливные электростанции – ПЭС

.

Энергия морских приливов, или, как говорят иногда, «лунная энергия», известна человечеству со времен глубокой давности. Эта энергия ещё в далёкие исторические эпохи использовалась для приведения в движение различных механизмов, в особенности мельниц. В Германии с помощью энергии приливной волны орошали поля. Приливы для вращения мельничных колес использовались 1000 лет тому назад в Испании, Франции, Англии. Сегодня ПЭС работают в Китае, во Франции, в России (Кислогубская ПЭС на Баренцевом море имеет мощность 1200 кВт) и некоторых других странах.

Приливные электростанции (ПЭС

) выгодно отличаются от речных тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит, как у речных, от многочисленных случайных погодных условий.

Наиболее существенный недостаток ПЭС – неравномерность из работы. Неравномерность приливной энергии в течении лунных суток и лунного месяца, отличающихся от солнечных, не позволяет систематически использовать её в периоды максимального потребления в системах.

ПЭС работают в условиях быстрого изменения напора, поэтому их турбины должны иметь высокие к. п.д. при переменных напорах. В настоящее время создана достаточно совершенная и компактная горизонтальная турбина двойного действия. Электрический генератор и часть деталей турбины заключены в водонепроницаемую капсулу, и весь гидроагрегат погружен в воду (рисунок 3.6). Поворотные лопасти рабочего колеса обеспечивают высокое значение к. п.д. при различных напорах начиная с 0,5 м. Для ПЭС используют обратимые турбины, когда вращение непрерывно при любом направлении движения воды.

Рисунок 3.6. Схема ПЭС:

1 – капсульный агрегат; 2 – повышающий трансформатор; 3 – козловый кран для обслуживания затворов и решеток; 4 – кабельный коридор; 5 – мостовой кран машинного зала

Гидроагрегат может работать как в генераторном, так и в насосных режимах. При выключенном генераторе гидроагрегат может осуществлять прямой перепуск воды из моря в бассейн и обратно. В насосном режиме он может осуществлять перекачивание воды из моря в бассейн и тем самым увеличивать напор воды.

Приливные станции строят в бухтах с узким проходом. Перегораживают вход плотиной и в ней устанавливают гидрогенераторы. Во время прилива и отлива вода по трубам подходит к гидротурбинам и вращает их, а следовательно, и электрогенератор, сидящий на одном валу с турбиной.

ПЭС вырабатывают электрическую энергию за счет использования потенциальной энергии приливов и отливов моря. Величина прилива (в результате притяжения Луны) в разных местах Земли неодинакова: у берегов Америки она составляет 21 м, у берегов Франции и Англии – порядка 15 м, у берегов России – 8–11 м на Белом и Охотском морях. Установлено, что использовать энергию приливов целесообразно уже при 3–4 м высоты прилива.

Атомные электростанции

Атомные электростанции (АЭС

) — это по существу тепловые электростанции, которые используют тепловую энергию ядерных реакций. АЭС для получения электроэнергии и тепла используют ядерное горючее. В качестве топлива на АЭС применяется вещество, способное к самопроизвольному расщеплению ядер атомов с выделением энергии в виде тепла. Важнейшим ядерным топливом являются тяжелые элементы: уран‑235 (U‑235), уран‑233 (U‑233), плутоний‑239 (U‑239). Вместо котельного агрегата на атомных станциях используется ядерный реактор и особые парогенераторы.

На АЭС энергия, получаемая в результате деления ядер урана на осколки, превращается в тепловую энергию пара или газа и затем в электрическую энергию, то есть в энергию движения электронов в проводнике. Деление ядер урана происходит при бомбардировке их нейтронами, в результате чего получаются осколки ядер, обычно неодинаковые по массе, нейтроны и другие продукты деления, которые разлетаются в разные стороны с огромными скоростями и имеют, следовательно, большие величины кинетической энергии. Получаемая при делении ядер энергия почти полностью превращается в тепло. Установка, в которой происходит управляемая цепная ядерная реакция деления, называется ядерным реактором

.

В основном используют ядерные реакции расщепления урана U-235 под действием медленных (тепловых) нейтронов. Расщепление ядер U‑235 происходит по цепной реакции, при этом выделяется большое количество тепловой энергии (83 %) и так называемого ядерного излучения (17 %). Для осуществления реакции расщепления ядер урана в реакторе кроме топлива (U‑235) должен быть замедлитель нейтронов и, естественно, теплоноситель, отводящий тепло из реактора.

В России строительство АЭС базируется на корпусных реакторах с водой под давлением – ВВЭР

(
водо
—
водянойэнергетическийреактор
) и кипящих канальных уран-графитовых реакторах –
РБМК
(
реакторбольшоймощностикипящий
).

В реакторах типа ВВЭР

в качестве замедлителя и теплоносителя используется обычная вода под давлением.

В реакторах типа РБМК

в качестве теплоносителя используется вода, а в качестве замедлителя — графит.

Не смотря на существование несколько типов реакторов на тепловых нейтронах, всем им присущи некоторые общие элементы, приведенные на рисунке 4.7. Реакторы имеют так называемую активную зону 1, в которую загружается ядерное топливо, содержащее уран-235 и замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения утечки нейтронов активная зона окружена отражателем 2, за которым размещается бетонная защита 5 от радиоактивных излучений. Количество ядерного топлива в реакторе значительно превышает критическую массу. Поэтому в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 4 из карбида бора. По мере выгорания топлива регулирующие стержни извлекают из активной зоны. Нагретый теплоноситель отводится по трубам 3 в теплообменник-парогенератор 6, где передает свое тепло рабочему телу (например, воде, проходящей по змеевикам и превращающейся в пар). Рабочее тело (пар) поступает в турбину 7, вращает вал турбины, соединенный с валом генератора 8. Отработавший в турбине пар попадает в конденсатор 9, после чего сконденсированная вода вновь идет в теплообменник.

Принцип работы атомных реакторов одинаков: внутри реактора располагают тепловыделяющие
элементы
–
ТВЭЛ
ы, которые состоят из металлической трубки из сплава циркония, заполненной смесью урана-235 и урана-238.

В реакторе ВВЭР все ТВЭЛы помещены в стальной корпус, заполненный водой, которая непосредственно соприкасается с ТВЭЛами и охлаждает их. Тепло атомного реактора нагревает воду под высоким давлением, она становится радиоактивной. Поэтому эта вода направляется в промежуточный парогенератор, где вода второго контура превращается в пар, направляемый в турбину.

Реактор РБМК заполнен графитовыми блоками, внутри которых сделаны отверстия. В них помещены тонкостенные трубы (рабочие каналы) из циркония, в которых устанавливаются ТВЭЛы. Через трубы циркулирует вода под давлением, она отводит тепло от ТВЭЛов и при этом частично испаряется.

Рисунок 4.7. Упрощенная схема АЭС:

1 — активная зоня; 2 — отражатель; 3 — трубы; 4 — поглотитель нейтронов; 5 — бетонная защита; 6 — теплообменник-парогенератор; 7 — турбина; 8 — генератор; 9 — конденсатор

РБМК – это канальный реактор, а ВВЭР – корпусной. ВВЭР получили более широкое распространение, чем РБМК. Преимуществом РБМК является возможность замены ТВЭЛов без остановки реактора.

Мощность энергетического реактора определяется возможностями быстрого отвода тепла из активной зоны. Основная часть энергии, выделяющейся при ядерной реакции в ТВЭЛах, идёт на нагревание ядерного топлива, а небольшая часть – на нагревание замедлителя. Поскольку отвод тепла происходит за счёт конвективного теплообмена, то для повышения интенсивности процесса отвода тепла нужно увеличивать скорость движения теплоносителя. Так, скорость движения воды в активной зоне составляет примерно 3-7 м/с.

Бурное развитие атомной энергетики вызвано её преимуществами по сравнению с другими способами выработки энергии. Назовем основные из них:

1. Атомные электростанции почти не зависят от месторасположения источников сырья вследствие компактности ядерного топлива и легкой его транспортировки. Однако для охлаждения АЭС необходим мощный источник воды (морской или пресной). Поэтому АЭС, так же как и ТЭС, зависят от источников воды;

2. Сооружение мощных энергетических блоков имеет благоприятные перспективы, так как с одного реактора можно получить электрическую мощность порядка 2 ГВт;

3. Малый расход горючего не требует загрузки транспорта;

4. Атомные электростанции, при безаварийной работе, практически не загрязняют окружающую среду.

Радиоактивное излучение опасно. Принятое в больших дозах, оно может вызвать заболевание и даже смерть людей. Воздействие радиоактивного излучения на людей и животных в настоящее время достаточно хорошо изучено. Вследствие пристального внимания к радиоактивному излучению и постановки многочисленных экспериментов влияния изучения на экологию изучено гораздо больше, чем влияние синтетических соединений и некоторых других факторов.

Ионизирующее облучение человека оказывает соматическое (от греческого слова, означающего «тело») и генетическое действие. Заметный клинический эффект возникает при мощном облучении примерно в 0,2 Дж/кг в течении короткого времени. Длительное хроническое облучение может повысить статическую вероятность таких клинических последствий, как заболевание раком и другими болезнями.

Все ядерные реакторы имеют специальную биологическую защиту, чтобы предохранить обслуживающий персонал от опасных радиоактивных излучений, которые вызывают ионизацию молекул клеток.

Использование морских течений

Это весьма необычный способ получения электроэнергии. За счет разницы температур в северных районах океанов и южных (экваториальных), по всему объему возникают мощные течения. Ели погрузить в воду турбину, то мощное течение будет ее вращать. На этом основан принцип действия таких электростанций.

Однако в настоящее время этот источник энергии активно не используется. Очень много инженерных задач еще предстоит решить. Ведутся лишь опытно-экспериментальные работы. Наиболее активно продвигаются в этом направлении англичане. Не исключено, что в недалеком будущем у берегов Великобритании возникнут колонии энергетических установок, лопасти которых будут приводиться в движение морскими течениями.

Солнечные космические электростанции.

Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера, поэтому появляются проекты размещения солнечных электростанций в космосе, на околоземной орбите. У таких станций есть несколько достоинств: невесомость позволяет создать многокилометровые конструкции, которые необходимы для получения энергии; преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

К проектированию солнечных космических электростанций (СКЭС) конструкторы приступили ещё в конце 60-ых годов 20-ого века. Было предложено несколько вариантов транспортировки энергии из космоса на Землю, но наиболее рациональным было признано предложение использовать её на месте выработки, для этого необходимо перенести основных потребителей электроэнергии (металлургия, машиностроение, химическая промышленность) на спутник Земли Луну или астероиды. Любой вариант СКЭС предполагает, что это колоссальное сооружение, причём не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей.

Строительство солнечных космических электростанций сейчас кажется фантастикой, но в скором времени, возможно, появится первая СКЭС, которая даст начало новому уровню развития энергетики.

Способы получения электроэнергии в домашних условиях

Электроэнергию можно вырабатывать и в домашних условиях. А если серьезно подойти к этому вопросу, то можно даже удовлетворить потребности домашнего хозяйства в электроэнергии.

Прежде всего следует отметить, что некоторые из перечисленных способов получения электричества вполне применимы и в условиях частного хозяйства. Так, многие фермеры и просто владельцы загородных имений, устанавливают на своих участках ветряные мельницы. Также все чаще на крышах загородных домов можно увидеть солнечные батареи.

Существуют и иные способы производства электричества, но об их практическом применении не может быть и речи. Это, скорее, ради забавы, или с целью эксперимента.

Виды альтернативных источников

Для того чтобы жить в собственном доме комфортно, нам требуются два вида энергии: электрическая и тепловая. Получить обе разновидности из окружающей среды несложно. Из каких источников это можно получить, и какие приборы для этого используются:

• солнечные батареи и коллекторы;
• ветрогенераторы;
• установки, использующие биогаз;
• тепловые насосы.

Всеми этими устройствами и технологиями человечество пользуется давно. К примеру, вспомним ветряные или водяные мельницы. Сегодня наука, которая все время движется вперёд, предлагает большой ассортимент устройств, с помощью которых можно получить тепло и электричество.

Правда, для каждого дома требуется свои приборы, которые будут более эффективны в каждом случае. Специалисты же рекомендуют выбирать не одну разновидность, а сразу несколько. К примеру, солнечные батареи хорошо использовать в тёплое безоблачное время года. Ветрогенераторы прекрасно работают в ветряную погоду. То есть, если установить оба агрегата в доме, то можно гарантировать постоянное наличие электрического тока в независимости от погодных условий.

А теперь давайте рассмотрим по отдельности сами источники энергии и устройства, которые вырабатывают тепло и электрический ток.

Солнечные батареи

Скажем так, что эти приборы с годами становятся все более востребованными и популярными. Сегодня производители производят и реализуют их в двух вариациях:

1. Готовые батареи, которые просто устанавливают на крышах домов, соединяя между собой в единый комплекс.
2. Отдельные фотоэлементы. Такой вариант предлагается для мастеров, которые сами собирают их в панели, подгоняя под требуемый объем получаемой энергии.

1. Монокристаллические. Отметим, что это более эффективные, то есть с большим коэффициентом полезного действия, и долговечные элементы. Соответственно они и дороже. Но их высокая эффективность достигается лишь в том случае, если небо ясное, и элементы получают стабильный солнечный поток.
2. Поликристаллические. У этого типа пониже КПД и эксплуатационный ресурс. Но они могут работать даже в облачную погоду. И это большой плюс.

Фотоэлементы обычно помещают под прозрачный материал и обрамляют металлическим профилем. Всю конструкцию устанавливают на специальной подставке, которую можно поворачивать. Это делается для того, чтобы можно было бы поворачивать солнечные батареи, улавливая прямые солнечные лучи. А их угол наклона зависит от времени года.

Но солнечные панели – это всего лишь часть комплекса. Для сбора электрической энергии требуется аккумуляторы, которые соединяются с панелями через инверторную систему. Первые аккумулируют электричество, вторая превращает солнечный свет в электроэнергию.

Внимание! Грамотный выбор аккумуляторов и инверторной системы – максимальная эффективность работы всего комплекса. При этом специалист должен точно провести требуемые расчёты, которые обеспечат получить необходимый объем электрического тока для всего дома.

Сегодня производители предлагают отличающиеся от солнечных батарей устройства, которые работают по такому же принципу.

1. Гибкая плёнка, которую устанавливают на стекла окон с выходом на солнечную сторону. У этого вариант не самый высокий КПД, но за счёт уменьшения размеров материала и сложности монтажа способ достаточно популярен.
2. Betaray – это шар из стекла достаточно внушительного размера. Его задача – сфокусировать солнечные лучи и одним потоком направить на фотоэлемент. По сути, шар выполняет функции линзы. Такая установка вращается относительно своей оси. Вращение программируют, поэтому шар строго движется вслед солнцу. Отсюда и высокая эффективность отбора солнечных лучей. Эта установка неплохо работает даже в ночное время, собирая свет от луны и звёзд. Как показала практика, этой мощности хватает осветить ночные светильники.

Итак, это все о солнечных батареях, переходим к другому виду нетрадиционного источника энергии – солнечным коллекторам.

Смотрите также: Каталог компаний, что специализируются на разработке и монтаже инженерных сетей для частного дома

Солнечные коллекторы

Все знакомы с летним душем, в состав которого входит металлическая бочка. В неё заливают воду, и она под действием солнца нагревается. Коллекторы работают точно по такому же принципу. Только у них большая площадь поглощения солнечных лучей.

И эта площадь ничто иное, как трубы, расположенные в виде змеевика. Трубы нагреваются и передают своё тепло воде, которая по ним и движется. При этом движение всегда происходит снизу вверх – таков закон физики. То есть, нагреваясь, вода или воздух всегда стремятся вверх.

В верхней части комплекса устанавливается бак, через который проходит водопроводная вода. Внутри бака располагается ещё один змеевик, соединённый с коллектором, то есть большим змеевиком. Получается так, что вода, движущаяся по трубам большого змеевика и нагревающаяся там, попадает в змеевик, расположенный внутри бака. Она отдаёт свою тепловую энергию воде в баке, остывает и спускается в нижнюю часть коллектора. И все повторяется заново.

Именно так и нагревается вода в баке, которую затем используют в быту. Самое главное, что естественная циркуляция воды даёт возможность не использовать в системе насосы.

Отметим, что изготовленные в условиях промышленного производства солнечные коллекторы – более сложные устройства. Но принцип работы у них тот же. Просто вместо воды в большой змеевик заливают фреон, который эффективно работает даже зимой.

Ветрогенераторы

Это ещё один часто используемый вид альтернативной энергетики. Чисто конструктивно эти приборы представляют собой обычные ветряки, в состав которых входит генератор. Вращение лопастей ветряка передаётся вращению ротора генератора. Так и образуется электроэнергия, которая собирается в аккумуляторных батареях.

Стандартного типа приборы – это корпус с лопастями, которые установлены на высокой опоре. Сегодня производители предлагают и другие конструктивные решения.

1. Передвижная установка. Её за короткое время можно разложит и установить, и также быстро можно сложить и перевезти в другое место. установлен ветряк на автомобильной платформе.
2. Летательная установка. По сути, это воздушный змей, на котором установлено несколько турбин. Его просто запускают в небо, где он летает под действием ветра.