Солнечные и ветряные электростанции
Солнечные электростанции
Солнечное излучение — экологически чистый и возобновляемый источникэнергии. Запасы солнечной энергии огромны. К началу XXI века человечество разработало и освоило ряд принциповпреобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разделить намашинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямогопреобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразованиятепловой энергии в механическую работу.
Среди машинных преобразователей наиболее известны паро- и газотурбинныеустановки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях.
Испытания трехкиловаттной газотурбинной установки, проведенные в 1977году на пятиметровом фацетном параболическом концентраторе в Физико-техническоминституте Академии наук Узбекистана, показали, что установки такого типа весьмаманевренны. Выход на номинальные обороты составлял не более минуты с моментанаведения солнечного пятна на полость цилиндрического котла. Коэффициентполезного действия этой уста-ковки — 11 процентов.
В энергоустановке с паротурбинным преобразователем собраннаяконцентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость,переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется втурбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации вхолодильнике-излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемыйнасосом, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этойустановке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отводаоказываются выше, чем в газотурбинной установке, а удельные площади излучателяи концентратора могут оказаться меньше. У подобной установки, работающей наорганическом рабочем теле, коэффициент полезного действия составляет 15—20процентов при сравнительно невысоких температурах подвода тепла — всего 600— 650градусов Кельвина.
От многих недостатков, присущих машинным преобразователям, свободныэнергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями:термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими, непосредственнопреобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.
«Термоэлектрогенераторы основаны на открытом в 1821 году немецким физикомТ.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концахдвух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятсяпри разной температуре, — пишет в «Соросовском образовательном журнале» Л.М.Драбкин. — Открытый эффект первоначально использовался в термометрии дляизмерения температур. Энергетический КПД таких устройств — термопар,подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, кподведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академикА.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместометаллов полупроводники, стало возможным энергетическое использованиетермоэлектрического эффекта, и в 1940—1941 годах в Ленинградскомфизико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковыйтермоэлектрогенератор. Трудами и его школы в 40-50-е годы была разработана итеория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированывесьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы».
Соединяя между собой отдельные термоэлементы, можно создавать достаточномощные термобатареи. Электростанция мощностью 10 ГВт может весить до 200 тысячтонн. Снижение веса энергоустановки напрямую связано с повышением коэффициентаполезного действия преобразования солнечной энергии в электричество.
Этого можно достичь двумя путями: увеличением термического коэффициентаполезного действия преобразователя и снижением необратимых потерь энергии вовсех элементах энергоустановки.
В первом случае концентрированное излучение позволяет получать оченьвысокие температуры. Но одновременно при этом весьма возрастают требования кточности систем слежения за Солнцем, что для громадных по размерамконцентрирующих систем маловероятно. Поэтому усилия исследователей неизменнонаправлялись на снижение необратимых потерь. Они попытались уменьшить перетоктепла с горячих спаев на холодные теплопроводностью. Для решения этой задачитребовалось добиться увеличения добротности полупроводниковых материалов.
Однако после многолетних попыток синтезировать полупроводниковыематериалы с высокой добротностью стало ясно, что достигнутая сегодня величинаявляется предельной. Тогда возникла идея разделить горячий и холодный спаивоздушным промежутком, подобно двухэлектродной лампе — диоде. Если в такойлампе разогревать один электрод — катод и при этом охлаждать другой электрод —анод, то во внешней электрической цепи возникнет постоянный ток. Впервые этоявление наблюдал в 1883 году Томас Эдисон.
«Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии, —пишет Л.М. Драбкин. — Подобно термоэлектричеству оно долгое время применялось втехнике слабых токов. Позднее ученые обратите внимание на возможностииспользования метода для преобразования тепла в электричество. И хотя природа утермоэлектричества и термоэлектронной эмиссии разная, но выражения для КПД уних одинаковые.
Главные составляющие необратимых потерь в ТЭП связаны с неизотермическимхарактером подвода и отвода тепла на катоде и аноде, перетоком тепла с катодана анод по элементам конструкции ТЭП, а также с омическими потерями в элементахпоследовательного соединения отдельных модулей.
Для достижения высоких КПД цикла Карно современные ТЭП создают на рабочиетемпературы катодов 1700—1900 К, что при температурах охлаждаемых анодовпорядка 700 К позволяет получать КПД порядка 10 процентов. Таким образом,благодаря снижению необратимых потерь в самом преобразователе и приодновременном повышении температуры подиода тепла КПД ТЭП оказывается вдвоевыше, но при существенно более высоких температурах подвода тепла».
Теперь рассмотрим фотоэлектрический метод преобразования энергии.
В солнечных батареях используется явление внешнего фотоэффекта,проявляющегося на переходе в полупроводнике при освещении его светом. создаютр-п (или п-р)-переход путем введения в монокристаллический по пупроводниковыйматериал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. При попадании нар-п-переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентнойзоны и образуется электрический ГОК во внешней цепи. Коэффициент полезногодействия современных солнечных батарей достигает 13—15 процентов.
У солнечных электростанций есть одна, но весьма существенная проблема.Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешаетатмосфера. А что если разместить солнечные энергостанции и космосе, наоколоземной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволитсоздавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергииСолнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного видаэнергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его вкосмос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.
Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции,сегодня точно сказать нельзя. Хотя к проектированию подобных электростанцийконструкторы приступили еще в конце 1960-х годов. Любой вариант проектасолнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальноесооружение. Даже самая маленькая космическая электростанция должна веситьдесятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить наудаленную от Земли орбиту.
Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую — опорную— орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей.Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можноделать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувныхконструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической станциинужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к «местуработы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит толькоустановить на ней электроракетные двигатели малой тяги.
Но это в будущем. Пока же солнечные батареи с успехом питают космическиестанции.
Ветроэлектростанции
Запасы ветровой энергии, по сути дела, безграничны. Эта энергиявозобновляема, и в отличие от тепловых станций ветроэнергетика не используетбогатства недр, а ведь добыча угля, нефти, газа связана с огромными затратамитруда.
К тому же тепловые станции загрязняют окружающую среду, а плотины ГЭСсоздают на реках искусственные моря, нарушая природное равновесие. С другойстороны, ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС или АЭС, по сравнению сними занимает гораздо большую площадь. И справедливости ради надо сказать, чтоветроэлектростанции не совсем безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых,шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приемутелепередач в близлежащих населенных пунктах.
Обычно рабочим органом ветродвигателя служат лопасти воздушного винта,который и называют ветроколесом. Теорию его еще в начале XX века разработал известный русскийучёный Н.Е. Жуковский. Для описания явлений, связанных с прохождениемвоздушного потока через колесо, он применил теорию подъемной силы крыласамолета и определил значение максимально возможного коэффициента использованияэнергии ветра идеальным колесом. Коэффициент полезного действия оказался равным59,3 процента.
Ветер — стихия весьма капризная: то он дует с одной стороны, черезнекоторое время — с другой. Чтобы колесо эффективно использовало энергиювоздушною потока, его необходимо каждый раз разворачивать против ветра. Для пойцели служат специальные устройства — хвостовая пластина (флюгер) и ни небольшоеветровое колесо (виндроза).
Ветер редко дует с постоянной скоростью. Изменилась его скорость —замедлилось или ускорилось вращение колеса и связанного с ним вала, черезКоторый вращение колеса передается электрическому генератору. Чтобы валнращался с постоянной частотой, применяют разные приспособления.
Для получения энергии ветра используются разные конструкции. Этомпоголопастные «ромашки» и винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя идаже одной лопастью. Вертикальные конструкции хороши тем, ЧТО улавливают ветерлюбого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Такойвертикальный ротор напоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку.Встречаются и оригинальные решения. Например, тележка с парусом ездит по кольцуиз рельсов, а ее колеса приходят в действие электрогенератор.
Наиболее распространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) Являетсятурбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3. Турбина,мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, усыновленной на верхумачты. В последних моделях ВЭУ используются асинхронные генераторы переменнойскорости, а задачу кондиционирования им обрабатываемой электроэнергии выполняетэлектроника.
Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, гдесреднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедныдругими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топ-нива оченьдорога. В России это, в первую очередь, Сахалин, Камчатка, Арктика, КрайнийСевер и т.д.
При среднегодовой скорости ветра около 7 метров в секунду и среднем числечасов работы на полной мощности 2500 часов в год такая установка вырабатываетэлектроэнергию стоимостью 7—8 центов/кВч. Сегодня наиболее распространены ВЭУединичной мощностью 100—500 кВт, хотя построены и эксплуатируются агрегатыединичной мощностью в несколько мегаватт.
Малые ВЭУ (мощностью менее 100 кВт) обычно предназначаются для автономнойработы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачиэнергии более высокого качества и не допускают перерывов в питании, например, впериоды безветрия. Поэтому им необходим «дублер», то есть резервные источникиэнергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, илименьшей мощности.
Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100 кВт), то ониприменяются как электростанции и включаются обычно в энергосистемы. Обычно наодной площадке устанавливается достаточно большое количество ВЭУ, образующихтак называемую ветровую ферму. На одном краю «фермы» может дуть ветер, надругом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они незагораживали друг друга. Поэтому «ферма» занимает много места. Такие «фермы»есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили наприбрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветерустойчивее, чем на суше. В Калифорнии (США) на одной из них размещено околотысячи ветроустановок, так что суммарная установленная мощность фермы превышает100 МВт.
Обычно для снижения зависимости от капризов ветра в систему включаютмаховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы, восновном электрические. Но вместе с тем используют и воздушные. В этом случаеветряк нагнетает воздух в баллоны. Выходя оттуда, его ровная струя вращаеттурбину с электрогенератором. Еще один вариант — гидравлические аккумуляторы.Здесь силой ветра вода поднимается на определенную высоту, затем, падая вниз,она вращает турбину. Ставят даже электролизные аккумуляторы. Ветряк даетэлектрический ток, разлагающий воду на водород и кислород. Их запасают вбаллонах. Потом по мере необходимости водород и кислород сжигают в топливномэлементе либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебанийнапряжения, связанных с капризами ветра.
В Испании довольно долго работала удивительная ветроустановка, самасоздававшая для себя ветер! Обширный круг земли в основании выстроенной высокойтрубы покрыли полиэтиленовой пленкой на каркасных опорах. Жаркое испанскоесолнце нагревало и землю, и воздух под пленкой. В результате в трубе возникаларовная постоянная тяга, а встроенная в трубу крыльчатка вращала генератор. Тягане прекращалась даже в пасмурные дни и ночью: земля долго хранит тепло. Однакоэксплуатация такой установки оказалась довольно дорогой. Постепеннометаллическая труба проржавела, а пленка разрушилась. После очередного ураганаремонтировать систему не стали.
ВЭУ занимались и занимаются и в России. В начале 1990-х годов быласоздана ветроустановка небольшой мощности «Конвет-1Э» двух модификаций — сасинхронным генератором (2 кВт, 230 В) и индукторным генератором постоянноготока (12 или 24 В). Ветроколесо с двумя лопастями вращает генератор. Благодаряприменению инвертора или выпрямителя можно обеспечивать энергией телевизор,холодильник, радиоприемник, заряжать аккумуляторную батарею. В зонах сосреднегодовыми скоростями ветра 5—6 метров в секунду стоимость 1 кВт-ч от такойВЭУ в 1,4— 1,7 раза ниже, чем от равноценного по мощности бензинового агрегата.Масса установки — 460 килограммов.
Как известно, беда многих ветряков — мощные воздушные потоки, поддействием которых они нередко ломаются. В «Конвет-1Э» применили различныеавтоматические устройства, чтобы не дать колесу чрезмерно раскрутиться присильном ветре. Конструкторам удалось добиться аэродинамического КПД в 46—48процентов. Это достигнуто за счет применения высококачественных неметаллическихлопастей с более совершенным, крученным по длине профилем.
Быстроходные ветроустановки иностранных фирм работают главным Образом,начиная со скоростей ветра 5—6 метров в секунду. Особая конструкция лопастей испециальные приспособления позволяют «Конвету-1Э» эффективно начинать работатьуже при силе ветра 4 метра в секунду.
Суммарная мощность ветроустановок в мире быстро возрастает. Поиспользованию ВЭУ в мире лидируют США, в Европе — Германия, Англия, Дания иНидерланды.
Германия получает от ветра десятую часть своей электроэнергии, а всейЗападной Европе ветер дает 2500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряныеэлектростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, цена «воздушного»электричества падает. Так, в 1993 году во Франции се-(ч-стоимость 1 кВт-ч электроэнергии,полученной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к 2000 году она снизиласьв 1,5 раза.
Ядерные реакторы на быстрых нейтронах
Первая в мире атомная электростанция (АЭС), построенная в городе Обнинскепод Москвой, дала ток в июне 1954 года. Мощность ее была весьма скромной — 5МВт. Однако она сыграла роль экспериментальной установки, где накапливался опытэксплуатации будущих крупных АЭС. Впервые была доказана возможностьпроизводства электрической энергии на основе расщепления ядер урана, а не засчет сжигания органического топлива и не за счет гидравлической энергии.
АЭС использует ядра тяжелых элементов — урана и плутония. При деленииядер выделяется энергия — она и «работает» в атомных электростанциях. Но можноиспользовать только ядра, имеющие определенную массу — ядра изотопов. В атомныхядрах изотопов содержится одинаковое число протонов и разное — нейтронов, из-зачего ядра разных изотопов одного и того же элемента имеют разную массу. Уурана, например, 15 изотопов, но в ядерных реакциях участвует только уран-235.
Реакция деления протекает следующим образом. Ядро урана самопроизвольнораспадается на несколько осколков; среди них есть частицы высокой энергии —нейтроны. В среднем на каждые 10 распадов приходится 25 нейронов. Они попадаютв ядра соседних атомов и разбивают их, высвобождая нейтроны и огромноеколичество тепла. При делении грамм урана выделяется столько же тепла, сколькопри сгорании трех тонн каменного угля.
Пространство в реакторе, где находится ядерное топливо, называют активнойзоной. Здесь идет деление атомных ядер урана и выделяется тепловая, энергия.Чтобы предохранить обслуживающий персонал от вредного излучения,сопровождающего цепную реакцию, стенки реактора делают достаточно толстыми.Скоростью цепной ядерной реакции управляют регули/>рующие стержни из вещества, поглощающего нейтроны(чаще всего это бор или кадмий). Чем глубже опускают стержни в активную зону,тем больше нейтронов они поглощают, тем меньше нейтронов участвует в реакции именьше выделяется тепла. И наоборот, когда регулирующие стержни поднимают изактивной зоны, количество нейтронов, участвующих в реакции, возрастает, всебольшее число атомов урана делится, освобождая скрытую в них тепловую энергию.
На случай, если возникнет перегрев активной зоны, предусмотрена аварийнаяостановка ядерного реактора. Аварийные стержни быстро падают в активную зону,интенсивно поглощают нейтроны, цепная реакция замедляется или прекращается.
Тепло из ядерного реактора выводят с помощью жидкого или газообразноготеплоносителя, который прокачивают насосами через активную зону. Теплоносителемможет быть вода, металлический натрий или газообразные вещества. Он отбирает уядерного топлива тепло и передает его в теплообменник. Эта замкнутая система степлоносителем называется первым контуром. В теплообменнике тепло первогоконтура нагревает до кипения воду второго контура. Образующийся пар направляютв турбину или используют для теплофикации промышленных и жилых зданий.
До катастрофы на АЭС в Чернобыле советские ученые с уверенностью говорилио том, что в ближайшие годы в атомной энергетике будут широко использовать дваосновных типа реакторов. Один из них, ВВЭР — водо-водяной энергетическийреактор, а другой — РБМК — реактор большой мощности, канальный. Оба типаотносятся к реакторам на медленных (тепловых) нейтронах.
В водо-водяном реакторе активная зона заключена в огромный, диаметром 4 ивысотой 15 метров, стальной корпус-цилиндр с толстыми стенами и массивнойкрышкой.