Оглавление
Введение
I. Основные способы получения энергии
1. Тепловые электростанции
2. Гидроэлектростанции
3. Атомные электростанции
II. Нетрадиционные источники энергии
1. Ветровая энергия
2. Геотермальная энергия
3. Тепловая энергия океана
4. Энергия приливов и отливов
5. Энергия морских течений
6. Энергия Солнца
7. Водородная энергетикаЗаключениеЛитература
Введение
Научно-техническийпрогресс невозможен без развития энергетики, электрификации. Для повышенияпроизводительности труда первостепенное значение имеет механизация и автоматизацияпроизводственных процессов, замена человеческого труда машинным. Но подавляющеебольшинство технических средств механизации и автоматизации (оборудование,приборы, ЭВМ) имеет электрическую основу. Особенно широкое применениеэлектрическая энергия получила для привода в действие электрических моторов.Мощность электрических машин (в зависимости от их назначения) различна: отдолей ватта (микродвигатели, применяемые во многих отраслях техники и в бытовыхизделиях) до огромных величин, превышающих миллион киловатт (генераторыэлектростанций).
Человечествуэлектроэнергия нужна, причем потребности в ней увеличиваются с каждым годом.Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.)конечны. Конечны также и запасы ядерного топлива — урана и тория, из которогоможно получать в реакторах-размножителях плутоний. Поэтому важно на сегодняшнийдень найти выгодные источники электроэнергии, причем выгодные не только с точкизрения дешевизны топлива, но и с точки зрения простоты конструкций,эксплуатации, дешевизны материалов, необходимых для постройки станции,долговечности станций.
Данный реферат являетсякратким, обзором современного состояния энергоресурсов человечества. В работерассмотрены традиционные источники электрической энергии. Цель работы – преждевсего ознакомиться с современным положением дел в этой необычайно широкойпроблематике.
К традиционным источникамв первую очередь относятся: тепловая, атомная и энергия потока воды.
Российская энергетикасегодня — это 600 тепловых, 100 гидравлических, 9 атомных электростанций. Есть,конечно, несколько электростанций использующих в качестве первичного источникасолнечную, ветровую, гидротермальную, приливную энергию, но доля производимойими энергии очень мала по сравнению с тепловыми, атомными и гидравлическимистанциями.
энергияатомный гидравлический ветровой геотермальный
I. Основные способы получения энергии
1. Тепловыеэлектростанции
Тепловаяэлектростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая электрическую энергию врезультате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжиганииорганического топлива. Первые ТЭС появились в кон. 19 в и получилипреимущественное распространение. В сер. 70-х гг. 20 в. ТЭС — основной видэлектрической станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: вРоссии и США св. 80% (1975), в мире около 76% (1973).
Около 75% всейэлектроэнергии России производится на тепловых электростанциях. Большинствогородов России снабжаются именно ТЭС. Часто в городах используются ТЭЦ — теплоэлектроцентрали, производящие не только электроэнергию, но и тепло в видегорячей воды. Такая система является довольно-таки непрактичной т.к. в отличиеот электрокабеля надежность теплотрасс чрезвычайно низка на большихрасстояниях, эффективность централизованного теплоснабжения сильно снижается,вследствие уменьшения температуры теплоносителя. Подсчитано, что припротяженности теплотрасс более 20 км (типичная ситуация для большинствагородов) установка электрического бойлера в одельно стоящем доме становится экономическивыгодна.
На тепловыхэлектростанциях преобразуется химическая энергия топлива сначала вмеханическую, а затем в электрическую.
Топливом для такойэлектростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут. Тепловыеэлектрические станции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенныедля выработки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ),производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара.Крупные КЭС районного значения получили название государственных районныхэлектростанций (ГРЭС).
/>
Простейшая принципиальнаясхема КЭС, работающей на угле, представлена на рис. Уголь подается в топливныйбункер 1, а из него — в дробильную установку 2, где превращается в пыль.Угольная пыль поступает в топку парогенератора (парового котла) 3, имеющегосистему трубок, в которых циркулирует химически очищенная вода, называемаяпитательной. В котле вода нагревается, испаряется, а образовавшийся насыщенныйпар доводится до температуры 400—650°С и под давлением 3—24 МПа поступает попаропроводу в паровую турбину 4. Параметры пара зависят от мощности агрегатов.
Тепловые конденсационныеэлектростанции имеют невысокий кпд (30— 40%), так как большая часть энергиитеряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора.
Сооружать КЭС выгодно внепосредственной близости от мест добычи топлива. При этом потребители электроэнергиимогут находиться на значительном расстоянии от станции.
Теплоэлектроцентральотличается от конденсационной станции установленной на ней специальнойтеплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используетсяв турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затем поступает вконденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление (на рис.штриховая линия), отбирается от промежуточной ступени турбины и используетсядля теплоснабжения. Конденсат насосом 7 через деаэратор 8 и далее питательнымнасосом 9 подается в парогенератор. Количество отбираемого пара зависит отпотребности предприятий в тепловой энергии.
Коэффициент полезногодействия ТЭЦ достигает 60—70%.
Такие станции строятобычно вблизи потребителей — промышленных предприятий или жилых массивов. Чащевсего они работают на привозном топливе.
Рассмотренные тепловыеэлектростанции по виду основного теплового агрегата — паровой турбины —относятся к паротурбинным станциям. Значительно меньшее распространениеполучили тепловые станции с газотурбинными (ГТУ), парогазовыми (ПГУ) идизельными установками.
Наиболееэкономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенноТЭС). Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль.Для выработки 1 кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля.В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. Втурбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жесткосоединен с валом генератора.
Современные паровыетурбины для ТЭС — весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные машины сбольшим ресурсом работы. Их мощность в одновальном исполнении достигает 1 млн.200 тыс. кВт, и это не является пределом. Такие машины всегда бываютмногоступенчатыми, т. е. имеют обычно несколько десятков дисков с рабочимилопатками и такое же
количество, перед каждымдиском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление и температурапара постепенно снижаются.
Из курса физики известно,что КПД тепловых двигателей увеличивается с ростом начальной температурырабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров:температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа. Коэффициент полезногодействия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячимотработанным паром.
По мнению ученых в основеэнергетики ближайшего будущего по-прежнему останется теплоэнергетика на невозобновляемых ресурсах. Но структура ее изменится. Должно сократитьсяиспользование нефти. Существенно возрастет производство электроэнергии наатомных электростанциях. Начнется использование пока еще не тронутых гигантскихзапасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибаcтузскомбассейнах. Широко будет применяться природный газ, запасы которого в страненамного превосходят запасы в других странах.
Ксожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобысоздать эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут засотни лет. Сегодня в мире стали всерьез задумываться над тем, как не допуститьхищнического разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасовтоплива может хватить на века.2.Гидроэлектростанции
Гидроэлектрическаястанция, гидроэлектростанция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования,посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию.ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений,обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, иэнергетического. оборудования, преобразующего энергию движущейся под напоромводы в механическую энергию вращения которая, в свою очередь, преобразуется вэлектрическую энергию.
Посхеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычноподразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорнойдеривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные. В русловых иприплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, перегораживающей реку иподнимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некотороезатопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке рекиплощадь затопления уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономическидопустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые иприплотинные ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, вузких сжатых долинах.
Всостав сооружений русловой ГЭС, кроме плотины, входят здание ГЭС и водосбросныесооружения. Состав гидротехнических сооружений зависит от высоты напора иустановленной мощности. У русловой ГЭС здание с размещенными в нёмгидроагрегатами служит продолжением плотины и вместе с ней создаёт напорныйфронт. При этом с одной стороны к зданию ГЭС примыкает верхний бьеф, а с другой— нижний бьеф. Подводящие спиральные камеры гидротурбин своими входнымисечениями закладываются под уровнем верхнего бьефа, выходные же сеченияотсасывающих труб погружены под уровнем нижнего бьефа.
/>
Всоответствии с назначением гидроузла в его состав могут входить судоходныешлюзы или судоподъёмник, рыбопропускные сооружения, водозаборные сооружения дляирригации и водоснабжения. В русловых ГЭС иногда единственным сооружением,пропускающим воду, является здание ГЭС. В этих случаях полезно используемаявода последовательно проходит входное сечение с мусорозадерживающими решётками,спиральную камеру, гидротурбину, отсасывающую трубу, а по специальным водоводаммежду соседними турбинными камерами производится сброс паводковых расходовреки. Для русловых ГЭС характерны напоры до 30—40 м, к простейшим русловым ГЭСотносятся также ранее строившиеся сельские ГЭС небольшой мощности. На крупныхравнинных реках основное русло перекрывается земляной плотиной, к которойпримыкает бетонная водосливная плотина и сооружается здание ГЭС. Такаякомпоновка типична для многих отечественных ГЭС на больших равнинных реках.Волжская ГЭС им. 22-го съезда КПСС— наиболее крупная среди станций русловоготипа.
Приболее высоких напорах оказывается нецелесообразным передавать на здание ГЭСгидростатичное давление воды. В этом случае применяется тип плотиной ГЭС, укоторой напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭСрасполагается за плотиной, примыкает к нижнему бьефу. В состав гидравлическойтрассы между верхним и нижним бьефом ГЭС такого типа входят глубинныйводоприёмник с мусорозадерживающей решёткой, турбинный водовод, спиральнаякамера, гидротурбина, отсасывающая труба. В качестве дополнит, сооружений всостав узла могут входить судоходные сооружения и рыбоходы, а такжедополнительные водосбросы Примером подобного типа станций на многоводной рекеслужит Братская ГЭС на реке Ангара.
Несмотряна снижение доли ГЭС в общей выработке, абсолютные значения производстваэлектроэнергии и мощности ГЭС непрерывно растут вследствие строительства новыхкрупных электростанций. В 1969 в мире насчитывалось свыше 50 действующих истроящихся ГЭС единичной мощностью 1000 Мвт и выше, причём 16 из них — натерритории бывшего Советского Союза.
Важнейшаяособенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению стопливно-энергетическими ресурсами — их непрерывная возобновляемость.Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимостьвырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря назначительные, удельные капиталовложения на 1 квт установленной мощности ипродолжительные сроки строительства, придавалось и придаётся большое значение,особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.
3.Атомные электростанции
Атомнаяэлектростанция (АЭС) — электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется вэлектрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло,которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядернекоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловыхэлектростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС,работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основе 233U, 235U, 239Pu). Установлено,что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.) существеннопревышают энергоресурсы природных запасов органического топлива (нефть, уголь,природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворениябыстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всёувеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целеймировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентомтепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений органическоготоплива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция котносительному, увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условиядля стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения.Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая ужезанимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира. Первая в миреАЭС опытно-промышленного назначения (рис. 1) мощностью 5 Мвт была пущена в СССР27 июня 1954 г. в г. Обнинске. До этого энергия атомного ядра использовалась ввоенных целях. Пуск первой АЭС ознаменовал открытие нового направления вэнергетике, получившего признание на 1-й Международной научно-техническойконференции по мирному использованию атомной энергии (август 1955, Женева).
/>
Принципиальнаясхема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение
Тепло,выделяется в активной зоне реактора, теплоносителем, вбирается водой(теплоносителем 1-го контура), которая прокачивается через реакторциркуляционным насосом 2. Нагретая вода из реактора поступав в теплообменник(парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе воде 2-го контура.Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образованный пар поступает втурбину 4.
Наиболеечасто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах 1) водо-водяные собычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя; 2) графито-водные сводяным теплоносителем и графитовым замедлителем; 3) тяжеловодные с водянымтеплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя 4) графито-газовые сгазовым теплоносителем и графитовым замедлителем.
ВРоссии строят главным образом графито-водные и водо-водяные реакторы. На АЭССША наибольшее распространение получили водо-водяные реакторы. Графито-газовыереакторы применяются в Англии. В атомной энергетике Канады преобладают АЭС стяжеловодными реакторами.
/>
Взависимости от вида и агрегатного состояния теплоносителя создается тот илииной термодинамический цикл АЭС. Выбор верхней температурной границы термодинамическогоцикла определяется максимально допустимой температурой оболочек тепловыделяющихэлементов (ТВЭЛ), содержащих ядерное горючее, допустимой темп-рой собственноядерного горючего, а также свойствами теплоносителя, принятого для данного типареактора. На АЭС тепловой реактор, которой охлаждается водой, обычно пользуютсянизкотемпературными паровыми циклами. Реакторы с газовым теплоносителемпозволяют применять относительно более экономичные циклы водяного пара сповышенными начальными давлением и температурой. Тепловая схема АЭС в этих двухслучаях выполняется 2-контурной: в 1-м контуре циркулирует теплоноситель, 2-йконтур — пароводяной. При реакторах с кипящим водяным или высокотемпературнымгазовым теплоносителем возможна одноконтурная тепловая АЭС. В кипящих реакторахвода кипит в активной зоне, полученная пароводяная смесь сепарируется, инасыщенный пар направляется или непосредственно в турбину, или предварительновозвращается в активную зону для перегрева..
Ввысокотемпературных графито-газовых реакторах возможно применение обычногогазотурбинного цикла. Реактор в этом случае выполняет роль камеры сгорания.
Приработе реактора концентрация делящихся изотопов в ядерном топливе постепенноуменьшается, и топливо выгорает. Поэтому со временем их заменяют свежими.Ядерное горючее перезагружают с помощью механизмов и приспособлений сдистанционным управлением. Отработавшее топливо переносят в бассейн выдержки, азатем направляют на переработку.
Креактору и обслуживающим его системам относятся: собственно реактор сбиологической защитой, теплообменники, насосы или газодувные установки,осуществляющие циркуляцию теплоносителя; трубопроводы и арматура циркуляцииконтура; устройства для перезагрузки ядерного горючего; системы спец.вентиляции, аварийного расхолаживания и др.
Взависимости от конструктивного исполнения реакторы имеют отличительные,особенности: в корпусных реакторах топливо и замедлитель расположены внутрикорпуса, несущего полное давление теплоносителя; в канальных реакторах топливо,охлаждаемые теплоносителем, устанавливаются в спец. трубах-каналах,пронизывающих замедлитель, заключённый в тонкостенный кожух. Такие реакторыприменяются в России (Сибирская, Белоярская АЭС и др.),
Дляпредохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор окружаютбиологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода,песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностью герметичным.Предусматривается система контроля мест возможной утечки теплоносителя,принимают меры, чтобы появление не плотностей и разрывов контура не приводило крадиоактивным выбросам и загрязнению помещений АЭС и окружающей местности.Оборудование реакторного контура обычно устанавливают в герметичных боксах,которые отделены от остальных помещений АЭС биологической защитой и при работереактора не обслуживаются, Радиоактивный воздух и небольшое количество паровтеплоносителя, обусловленное наличием протечек из контура, удаляют изнеобслуживаемых помещений АЭС спец. системой вентиляции, в которой для исключениявозможности загрязнения атмосферы предусмотрены очистные фильтры и газгольдерывыдержки. За выполнением правил радиационной безопасности персоналом АЭС следитслужба дозиметрического контроля.
Приавариях в системе охлаждения реактора для исключения перегрева и нарушения герметичностиоболочек ТВЭЛов предусматривают быстрое (в течение несколько секунд) глушениеядерной реакции; аварийная система расхолаживания имеет автономные источникипитания.
Наличиебиологической защиты, систем специальной вентиляции и аварийного расхолаживанияи службы дозиметрического контроля позволяет полностью обезопаситьобслуживающий персонал АЭС от вредных воздействий радиоактивного облучения.
Оборудованиемашинного зала АЭС аналогично оборудованию машинного зала ТЭС. Отличительная,особенность большинства АЭС — использование пара сравнительно низкихпараметров, насыщенного или слабо перегретого.
При этом для исключенияэрозионного повреждения лопаток последних ступеней турбины частицами влаги,содержащейся в пару, в турбине устанавливают сепарирующие устройства. Иногданеобходимо применение выносных сепараторов и промежуточных перегревателей пара.В связи с тем, что теплоноситель и содержащиеся в нём примеси при прохождениичерез активную зону реактора активируются, конструктивное решение оборудованиямашинного зала и системы охлаждения конденсатора турбины одноконтурных АЭСдолжно полностью исключать возможность утечки теплоносителя. На двухконтурныхАЭС с высокими параметрами пара подобные требования к оборудованию машинногозала не предъявляются.
Вчисло специфичных требований к компоновке оборудования АЭС входят: минимальновозможная протяжённость коммуникаций, связанных с радиоактивными средами,повышенная жёсткость фундаментов и несущих конструкций реактора, надёжная организациявентиляции помещений. В реакторном зале размещены: реактор с биологическойзащитой, запасные ТВЭЛы и аппаратура контроля. АЭС скомпонована по блочномупринципу реактор—турбина. В машинном зале расположены турбогенераторы иобслуживающие их системы. Между машинным и реакторным залами размещенывспомогательные оборудование и системы управления станцией.
Вбольшинстве промышленно развитых стран (Россия, США, Англия, Франция, Канада,ФРГ, Япония, ГДР и др.) мощность действующих и строящихся АЭС к 1980 доведенадо десятков Гвт. По данным Международного атомного агентства ООН,опубликованным в 1967, установленная мощность всех АЭС в мире к 1980 достигла300 Гвт.
За годы, прошедшие современи пуска в эксплуатацию первой АЭС, было создано несколько конструкцийядерных реакторов, на основе которых началось широкое развитие атомнойэнергетики в нашей стране.
АЭС являющиеся наиболеесовременным видом электростанций, имеют ряд существенных преимуществ переддругими видами электростанций: при нормальных условиях функционирования ониабсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику сырьяи соответственно могут быть размещены практически везде, новые энергоблокиимеют мощность практически равную мощности средней ГЭС, однако коэффициент использованияустановленной мощности на АЭС (80%) значительно превышает этот показатель у ГЭСили ТЭС. Об экономичности и эффективности атомных электростанций может говоритьтот факт, что из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, сколько присжигании примерно 3000 т каменного угля.
Значительных недостатковАЭС при нормальных условиях функционирования практически не имеют. Однаконельзя не заметить опасность АЭС при возможных форсмажорных обстоятельствах:землетрясениях, ураганах, и т. п. — здесь старые модели энергоблоковпредставляют потенциальную опасность радиационного заражения территорий из-занеконтролируемого перегрева реактора.
II. Нетрадиционные источники энергии
Ученые предостерегают:разведанных запасов органического топлива при нынешних темпах ростаэнергопотребления хватит всего на 70-130 лет. Конечно, можно перейти и надругие невозобновляемые источники энергии. Например, ученые уже многие годыпытаются освоить управляемый термоядерный синтез...
1.Ветровая энергия
Огромнаэнергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто разпревышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земледуют ветры – от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, домогучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоенвоздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашейстраны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии!Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромнойтерритории – от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветрасеверные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где онаособенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почемуже столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии такслабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всегоодну тысячную мировых потребностей в энергии.
Пооценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200ГВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районахЗемли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м надповерхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушногопотока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальноесечение, достигала значения, приемлемого для преобразования.Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодоваяудельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2(скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать вэлектроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2.
Энергия,содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра.Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощьюидеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ)энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласноопубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегатеравен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всехскоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Крометого, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механическойэнергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75–95 %. Учитываявсе эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальнымветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30–40 % мощности воздушногопотока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей,предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую запределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, чтоветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегатнеобходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скоростьветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механическойэнергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальнойэлектрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработкаэлектрической энергии в течение года, видимо, составляет 15–30% энергии ветра,или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.
Новейшиеисследования направлены преимущественно на получение электрической энергии изэнергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машинпривело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из нихдостигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли быобразовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегатыпредназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.
Сооружаютсяветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесоприводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, которыйодновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторнаябатарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжениена его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и такжеавтоматически отключается при противоположном соотношении.
Внебольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколькодесятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сетьэлектроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г.Однако после поломки ротора опыт прервался – ротор не стали ремонтировать,поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. Поэкономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и вевропейских странах.
Сегодняветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешноработают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячахсельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов иэлектростанций общего пользования. Американец Генри Клюз в штате Мэн построилдве мачты и укрепил на них ветродвигатели с генераторами. 20 аккумулятором по 6В и 60 по 2 В служат ему в безветренную погоду, а в качестве резерва он имеетбензиновый движок. За месяц Клюз получает от своих ветроэлектрических агрегатов250 кВт·ч энергии; этого ему хватает для освещения всего хозяйства, питаниябытовой аппаратуры (телевизора, проигрывателя, пылесоса, электрической пишущеймашинки), а также для водяного насоса и хорошо оборудованной мастерской.
Широкомуприменению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует ихвысокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить ненужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятсяслишком дорого.
Сейчассозданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее,ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскуювертушку, другие – на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц.Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенныхдруг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальнойосью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями.
Впроектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы приразной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь приподключении к сети генератор должен давать не просто электрическую энергию, атолько переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартнойчастотой 50 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируютза счет поворота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее,воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своейэнергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматическиповорачивается на мачте против ветра.
Прииспользовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветренуюпогоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранитьвпрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесодвижет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потомвода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянногоили переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя ималомощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков илинагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водородав 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 тепловыхэлектростанций по мере надобности.
2. Геотермальнаяэнергия
Энергетиказемли – геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплотыЗемли. Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20–30 °С врасчете на 1 км глубины, и, количество теплоты, содержащейся в земной коре доглубины 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 27,6.109Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически иэкономически извлекаемых мировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота вверхней части земной слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировыеэнергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования,представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии,сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенныеобъемы и температуру, достаточные для использования их в целях производстваэлектрической энергии или теплоты.
Сгеологической точки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить нагидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканическогопроисхождения и системы с высоким тепловым потоком.
Ккатегории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны параили горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры,сернистые грязевые озера. Образование таких систем связано с наличием источникатеплоты — горячей или расплавленной скальной породой, расположеннойотносительно близко к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системыобычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которымсвойственна вулканическая активность.
Впринципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водойприменяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося прииспарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление,что при приближении горячей воды (находящейся под высоким давлением) поскважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкостивскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от водыи направляется в турбину. Вода, выходящая из сепаратора, может быть подвергнутадальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можнозакачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономическиоправдано, с предварительным извлечением из нее минералов.
Другимметодом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературныхгеотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного(бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используетсядля нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющегонизкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этойжидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется ивновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл.
Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячиесистемы вулканического происхождения) относятся магма и непроницаемые горячиесухие породы (зоны застывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скальныепороды). Получение геотермальной энергии непосредственно из магмы покатехнически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергиигорячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительныетехнические разработки методов использования этих энергетических ресурсовпредусматривают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью,проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающуюобласти залегания горячей породы; затем через нее в породу под большимдавлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин.После этого через образованную таким образом зону трещиноватой породыпробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают впервую скважину. Проходя через горячую породу, она нагревается, извлекаетсячерез вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можноиспользовать для производства электроэнергии одним из рассмотренных ранееспособов.
Геотермальныесистемы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокимизначениями теплового потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн.В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды,поступающая из скважин, может достигать 100 °С.
3.Тепловая энергия океана
Известно,что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земнойповерхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны – акватория Тихогоокеана составляет 180 млн. км2. Атлантического – 93 млн. км2,Индийского – 75 млн. км2.Так, тепловая (внутренняя)энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению сдонными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж.Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии,да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такаяэнергетика до сих пор казалась малоперспективной.
Последниедесятилетие характеризуется определенными успехами в использовании тепловойэнергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальныебуквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e.преобразование тепловой энергии океана – речь идет о преобразовании вэлектрическую энергию). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов началаработать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установкив течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность. Принепрерывной круглосуточной работе не было срывов, если не считать мелкихтехнических 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 насобственные нужды установки. В их число входят затраты анергии на работу трехнасосов, потери в двух теплообменниках, турбине и в генераторе электрическойэнергии.
Тринасоса потребовались из следующего расчета: один – для подачи теплой виды изокеана, второй – для подкачки холодной воды с глубины около 700 м, третий – дляперекачки вторичной рабочей жидкости внутри самой системы, т. е. изконденсатора в испаритель. В качестве вторичной рабочий жидкости применяетсяаммиак.
Установкамини-ОТЕС смонтирована на барже. Под ее днищем помещен длинный трубопровод длязабора холодной воды. Трубопроводом служит полиэтиленовая труба длиной 700 м свнутренним диаметром 50 см. Трубопровод прикреплен к днищу судна с помощьюособого затвора, позволяющего в случае необходимости ого быстрое отсоединение.Полиэтиленовая труба одновременно используется и для заякоривания системы труба–судно.Оригинальность подобного решения не вызывает сомнений, поскольку якорныепостановки для разрабатываемых ныне более мощных систем ОТЕС являются весьмасерьезной проблемой.
Впервыев истории техники установка мини-ОТЕС смогла отдать во внешнюю нагрузкуполезную мощность, одновременно покрыв и собственные нужды. Опыт, полученныйпри эксплуатации мини-ОТЕС, позволил быстро построить более мощнуютеплоэнергетическую установку ОТЕС-1 и приступить к проектированию еще болеемощных систем подобного типа.
Новыестанции ОТЕС на мощность во много десятков и сотен мегаватт проектируются безсудна. Это – одна грандиозная труба, в верхнейчасти которой находится круглый машинный зал, где размещены все необходимые устройства дляпреобразования энергии.
4.Энергия приливов и отливов
Векамилюди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достовернознаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызываютсилы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раздальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чеммасса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунныйприлив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, Солнцесвоим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив.Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура),наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабыйприливы чередуются через семь дней.
Однакоистинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенностидвижения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские теченияи ветер.
Самыевысокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьяхрек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катитсяпротив течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волнаАтлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытыхморях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой50-70 см.
Максимальновозможная мощность в одном цикле прилив – отлив, т. е. от одного прилива додругого, выражается уравнением
/>
гдер – плотность воды, g – ускорение силытяжести, S – площадь приливного бассейна, R – разностьуровней при приливе.
Как видно изформулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считатьтакие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контури рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны». Мощность электростанций в некоторыхместах могла бы составить 2–20 МВт.
Первая морская приливная электростанция мощностью 635кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию началистроить в США. Американцы перегородили часть заливаПассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлосьпрекратить из-за неудобного для строительства,слишком глубокого и мягкого морского дна, а такжеиз-за того, что построенная неподалеку крупная тепловаяэлектростанция дала болеедешевую энергию.
Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волнув Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящийпроект.
5.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» ватмосферу).
Важнейшее и самое известное морское течение – Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км2. Энергию Р,которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (вваттах)
/>
гдет–масса воды (кг), р–плотностьводы (кг/м3), А–сечение (м2),v– скорость (м/с). Подставив цифры, получим
/>
Еслибы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергииот 50 крупных электростанций по 1000 МВт, Но эта цифра чисто теоретическая, апрактически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.
Внастоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивныеработы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют оченьдлинную береговую линию, к во многих местах море остается бурным в течениедлительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английскихтерриториальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций,принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическомууправлению.
Один изпроектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяногостолба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху подвлиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробедействует наподобие поршня: засасывает воздух инагнетает его в лопатки турбин. Главную трудностьздесь составляет согласование инерции рабочих колестурбин с количеством воздуха в коробах, так чтобыза счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов вшироком диапазоне условий на поверхности моря.
6.Энергия Солнца
Почтивсе источники энергии, о которых мы до сих пор говорили, так или иначеиспользуют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная»солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; поддействием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себеэнергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемоесегодня топливо. Солнце каждый год даст человечеству миллиарды тонн зерна идревесины. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, котороеподдерживает кругооборот воды на Земле.
Во всехприведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многиепромежуточные превращения. Заманчиво было бы исключить эти превращения и найтиспособ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца,падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию. Всего за три дняСолнце посылает на Землю столько энергии, сколько ее содержится во всехразведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 с – 170 млрд. Дж. Большую частьэтой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и толькотреть ее достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, большетой ее части, которую получает Земля, в 5000000000 раз. Но даже такая «ничтожная»величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместевзятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентнамощности крупной электростанции.
Согласнолегенде Архимед, находясь на берегу, уничтожил неприятельский римский флот подСиракузами. Как? При помощи зажигательных зеркал. Известно, что подобныезеркала делались также в VI веке. А в середине XVIII столетия французскийестествоиспытатель Ж. Бюффон производил опыты с большим вогнутым зеркалом,состоящим из множества маленьких плоских. Они были подвижными и фокусировали водну точку отраженные солнечные лучи. Этот аппарат был способен в ясный летнийдень с расстояния 68 м довольно быстро воспламенить пропитанное смолой дерево.Позднее во Франции было изготовлено вогнутое зеркало диаметром 1,3 м, в фокусекоторого можно было за 16 секунд расплавить чугунный стержень. В Англии жеотшлифовали большое двояковыпуклое стекло, с его помощью удавалось расплавлятьчугун за три секунды и гранит – за минуту.
Вконце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушодемонстрировал инсолятор – в сущности первое устройство, превращавшее солнечнуюэнергию в механическую. Но принцип был тем же: большое вогнутое зеркалофокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движениепечатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет вКалифорнии построили действующий по такому же принципу конический рефлектор впаре с паровой машиной мощностью 15 л. с.
Ихотя с той поры то в одной, то в другой стране появляются экспериментальныерефлекторы-нагреватели, а в публикуемых статьях все громче напоминают онеиссякаемости нашего светила, рентабельнее они от этого не становятся иширокого распространения пока не получают: слишком дорогое удовольствие этодаровое солнечное излучение.
Сегоднядля преобразования солнечного излучения в электрическую энергию мы располагаем двумявозможностями: использовать солнечную энергию какисточник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или женепосредственно преобразовывать солнечную энергию вэлектрический ток в солнечных элементах. Реализацияобеих возможностей пока находится в зачаточной стадии. В значительно болеешироких масштабах солнечную энергию используют после ее концентрации при помощи зеркал –для плавления веществ, дистилляции воды, нагрева, отопления и т. д.
Посколькуэнергия солнечного излучения распределена по большой площади(иными словами, имеет низкуюплотность), любая установка для прямогоиспользования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор)с достаточной поверхностью.
Простейшееустройство такого рода–плоский коллектор; в принципе эточерная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом илипластмассой, 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 стеклоили пластмассу в коллектор, поглощается чернымитрубками и плитой и нагреваетрабочее вещество втрубках. Тепловое излучение не может выйти изколлектора, поэтому температура в нем значительновыше (па 200–500°С), чем температура окружающеговоздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовыепарники, по сути дела, представляют собой простыеколлекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишкомтрудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.
Болеесложным и дорогостоящим коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточиваетпадающее излучение в малом объеме около определенной геометрическойточки – фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированнойпластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных кбольшому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторытакого типа постоянно повернуты к Солнцу–это позволяет собирать возможнобольшее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространствезеркальных коллекторов достигает 3000°С и выше.
Солнечная энергетика относится кнаиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабноеиспользование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличениепотребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычисырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов,коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают, что дляпроизводства 1 МВт в год электрической энергии с помощью солнечной энергетикипотребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционнойэнергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500человеко-часов.
/>
Покаеще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намногодороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, чтоэксперименты, которые они проведут на опытных установках и станциях, помогутрешить не только технические, но и экономические проблемы. Но, тем не менее,станции-преобразователи солнечной энергии строят и они работают.
С 1988года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция.Кажется, самим здравым смыслом определено ее место. Уж если где и строить такиестанции, так это в первую очередь в краю курортов, санаториев, домов отдыха,туристских маршрутов; в краю, где надо много энергии, но еще важнее сохранить вчистоте окружающую среду, само благополучие которой, и прежде всего чистотавоздуха, целебно для человека.
КрымскаяСЭС невелика – мощность всего 5 МВт. В определенном смысле она – проба сил. Хотя,казалось бы, чего еще надо пробовать, когда известен опыт строительствагелиостанций в других странах.
Наострове Сицилия еще в начале 80-х годов дала ток солнечная электростанциямощностью 1 МВт. Принцип ее работы тоже башенный. Зеркала фокусируют солнечныелучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается парс температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину сподключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципемогут работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также и гораздо больше,если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу.
Несколькоиного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, чтосфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевыйкруговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта рядпреимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывнуюработу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточнуюэнергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеетвсего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока,что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционныхтепловых электростанциях.
Помнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразованиясолнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.
Но,для примера, электростанция на солнечных батареях вблизи экватора с суточнойвыработкой 500 МВт·ч (примерно столько энергии вырабатывает довольно крупнаяГЭС) при к.п.д. 10% потребовала бы эффективной поверхности около 500000 м2.Ясно, что такое огромное количество солнечных полупроводниковых элементовможет. окупиться только тогда, когда их производство будет действительнодешево. Эффективность солнечных электростанций в других зонах Земли была бымала из-за неустойчивых атмосферных условий, относительно слабой интенсивностисолнечной радиации, которую здесь даже в солнечные дни сильнее поглощаетатмосфера, а также колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи.
Тем неменее солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение.Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока вракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле – впервую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районахили же для малых потребителей тока (радиоаппаратура, электрические бритвы ит.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьемсоветском искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.).
Идетработа, идут оценки. Пока они, надо признать, не в пользу солнечныхэлектростанций: сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным исамым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии. Нужны новыеварианты, новые идеи. Недостатка в них нет. С реализацией хуже.
8. Водороднаяэнергетика
Водород,самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать идеальнымтопливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуетсявода, которую можно снова разложить на водород и кислород, причем этот процессне вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяетв атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых другихвидов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа,углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает оченьвысокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Джтепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.
Водородможно транспортировать и распределять по трубопроводам, как природный газ.Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачиэнергии. К тому же трубопроводы прокладываются под землей, что не нарушаетландшафта. Газопроводы занимают меньше земельной площади, чем воздушныеэлектрические линии. Передача энергии в форме газообразного водорода потрубопроводу диаметром 750 мм на расстояние свыше 80 км обойдется дешевле, чемпередача того же количества энергии в форме переменного тока по подземномукабелю. На расстояниях больше 450 км трубопроводный транспорт водорода дешевле,чем использование воздушной линии электропередачи постоянного тока..
Водород– синтетическое топливо. Его можно получать из угля, нефти, природного газалибо путем разложения воды. Согласно оценкам, сегодня в мире производят и потребляютоколо 20 млн. т водорода в год. Половина этого количества расходуется напроизводство аммиака и удобрений, а остальное – на удаление серы изгазообразного топлива, в металлургии, для гидрогенизации угля и других топлив.В современной экономике водород остается скорее химическим, нежелиэнергетическим сырьем.
Сейчасводород производят главным образом (около 80%) из нефти. Но это неэкономичныйдля энергетики процесс, потому что энергия, получаемая из такого водорода,обходится в 3,5 раза дороже, чем энергия от сжигания бензина. К тому жесебестоимость такого водорода постоянно возрастает по мере повышения цен нанефть.
Небольшоеколичество водорода получают путем электролиза. Производство водорода методомэлектролиза воды обходится дороже, чем выработка его из нефти, но оно будетрасширяться и с развитием атомной энергетики станет дешевле. Вблизи атомныхэлектростанций можно разместить станции электролиза воды, где вся энергия,выработанная электростанцией, пойдет на разложение воды с образованием водорода.Правда, цена электролитического водорода останется выше цены электрическоготока, зато расходы на транспортировку и распределение водорода настолько малы,что окончательная цена для потребителя будет вполне приемлема по сравнению сценой электроэнергии.
Сегодняисследователи интенсивно работают над удешевлением технологических процессовкрупнотоннажного производства водорода за счет более эффективного разложенияводы, используя высокотемпературный электролиз водяного пара, применяякатализаторы, полунепроницаемые мембраны и т. п.
Большоевнимание уделяют термолитическому методу, который (в перспективе) заключается вразложении воды на водород и кислород при температуре 2500 °С. Но такойтемпературный предел инженеры еще не освоили в больших технологическихагрегатах, в том числе и работающих на атомной энергии (в высокотемпературныхреакторах пока рассчитывают лишь на температуру около 1000°С). Поэтомуисследователи стремятся разработать процессы, протекающие в несколько стадий,что позволило бы вырабатывать водород в температурных интервалах ниже 1000°С.
В1969 г. в итальянском отделении «Евратома» была пущена в эксплуатациюустановка для термолитического получения водорода, работающая с к.п.д. 55% притемпературе 730°С. При этом использовали бромистый кальций, воду и ртуть. Водав установке разлагается на водород и кислород, а остальные реагенты циркулируютв повторных циклах. Другие – сконструированные установки работали – притемпературах 700–800°С. Как полагают, высокотемпературные реакторы позволят поднятьк.п.д. таких процессов до 85%. Сегодня мы не в состоянии точно предсказать,сколько будет стоить водород. Но если учесть, что цены всех современных видовэнергии проявляют тенденцию к росту, можно предположить, что в долгосрочнойперспективе энергия в форме водорода будет обходиться дешевле, чем в формеприродного газа, а возможно, и в форме электрического тока.
Когдаводород станет столь же доступным топливом, как сегодня природный газ, онсможет всюду его заменить. Водород можно будет сжигать в кухонных плитах, вводонагревателях и отопительных печах, снабженных горелками, которые почти илисовсем не будут отличаться от современных горелок, применяемых для сжиганияприродного газа.
Какмы уже говорили, при сжигании водорода не остается никаких вредных продуктовсгорания. Поэтому отпадает нужда в системах отвода этих продуктов дляотопительных устройств, работающих на водороде, Более того, образующийся пригорении водяной пар можно считать полезным продуктом — он увлажняет воздух (какизвестно, в современных квартирах с центральным отоплением воздух слишком сух).А отсутствие дымоходов не только способствует экономии строительных расходов,но и повышает к. п. д. отопления на 30%.
Водородможет служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, напримерпри производстве удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Егоможно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловыхэлектростанциях.
Заключение
Учитываярезультаты существующих прогнозов по истощению к середине – концу следующегостолетия запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов, атакже сокращение потребления угля (которого, по расчетам, должно хватить на 300лет) из-за вредных выбросов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива,которого при условии интенсивного развития реакторов-размножителей хватит неменее чем на 1000 лет можно считать, что на данном этапе развития науки итехники тепловые, атомные и гидроэлектрические источники будут еще долгое времяпреобладать над остальными источниками электроэнергии. Уже началось удорожание нефти,поэтому тепловые электростанции на этом топливе будут вытеснены станциями наугле.
Некоторыеученые и экологи в конце 1990-х гг. говорили о скором запрещении государствамиЗападной Европы атомных электростанции. Но исходя из современных анализовсырьевого рынка и потребностей общества в электроэнергии, эти утверждениявыглядят неуместными.
Неоспоримароль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современномобществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, котораяне требовала бы – прямо или косвенно – больше энергии, чем ее могут датьмускулы человека.
Потреблениеэнергии – важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человекдобывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось всутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16МДж: в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а вболее развитом – 100 МДж.
За время существования нашейцивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии нановые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.
Солнце светило и обогревало человекавсегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину.Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казалисьбезграничными, но паровые машины требовали более калорийного «корма».
Нои это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическомрынке нефти.
И вотновый виток в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но закаждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на северили восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут скаждым годом стоить нам все дороже.
Замена?Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники.
Запасыурана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде бы не столь уж ивелики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше,чем уголь.
Аитог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, всто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. Иядерное горючее приходит на смену нефти и углю… Всегда было так: следующийисточник энергии был и более мощным. То была, если можно так выразиться,«воинствующая» линия энергетики.
Впогоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мирприродных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своихдел и поступков.
Новремена изменились. Сейчас, в конце 20 века, начинается новый, значительныйэтап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая». Построеннаятак, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране ужесильно поврежденной биосферы.
Несомненно,в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкиеправа гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии неслишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные вобращении.
Яркийпример тому — быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее,видимо, дополнит энергетика солнечная. Энергетика очень быстро аккумулирует,ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки.Это и понятно: энергетика связана буквально со Всем, и Все тянется кэнергетике, зависит от нее.
Поэтомуэнергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия,запечатанная в антивеществе, «черных дырах», вакууме, — это всеголишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, которыйпишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.
Литература
1. БаланчевадзеВ. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра.– М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.
2. Болеечем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира/ Под ред. Р.Кларка: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1994. – 215 с.
3. Источникиэнергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника, 1997. – 110 с.
4. КириллинВ. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1997. –128 с.
5. Мироваяэнергетика: прогноз развития до 2020 г./ Пер. с англ. под ред. Ю. Н.Старшикова. – М.: Энергия, 1990. – 256 с.
6. Нетрадиционныеисточники энергии. – М.: Знание, 1982. – 120 с.
7. ПодгорныйА. Н. Водородная энергетика. – М.: Наука, 1988.– 96 с.
8. Энергетическиересурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат,1995. – 232 с.
9. ЮдасинЛ. С… Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990. – 207с.