Страница 7 из 9
Гидроэнергетические установки. Известно, что около 15 % энергетического баланса страны покрывается гидроэнергетическими установками (ГЭУ).
Существуют три основных вида ГЭУ:
• гидроэлектрические станции (ГЭС), которые используют энергию рек;
• приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов океанов и морей;
• гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), которые могут накапливать и использовать энергию искусственных водоемов, озер.
На гидростанциях (ГЭС) для производства энергии используется энергия движущей воды (рис. 2.5). Первичными двигателями электрогенераторов являются гидротурбины, в которых потенциальная и кинетическая энергия воды преобразуется в механическую для вращения ротора генератора. Гидротурбина (рис. 2.6) состоит из рабочего колеса и направляющего устройства. Рабочее колесо жестко закреплено на валу турбины, имеет на своем ободе по всему периметру ряд особо изогнутых лопаток. Направляющее устройство придает движению воды нужное направление и регулирует количество воды, поступающее в турбину с помощью поворотных лопаток. Механизм разворота лопаток связан с регулятором турбины, поддерживающим постоянное число оборотов и тем самым частоту тока. Из рабочего колеса вода отводится через всасывающую трубу в нижний бьеф гидростанции.
ГЭС имеют очень высокий КПД и по данному показателю являются самыми экономичными электростанциями. КПД ГЭС составляет 93 % (у ТЭС не более 40 %). Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС, в 5–6 раз ниже, чем на тепловых и атомных станциях (АЭС). ГЭС являются мобильными установками и свободно меняют свою мощность. На них несравненно легче, чем на ТЭС и АЭС, запускаются и останавливаются агрегаты, отсутствуют ограничения по скорости изменения мощности, высока надежность.
Общий вид Саяно-Шушенской ГЭС приведен на рис. 2.7.
В советские годы страна занимала лидирующее положение в мировой гидроэнергетике. В свое время Красноярская и Саяно-Шушенская ГЭС были самыми мощными в мире. После распада СССР лидирующие позиции России и других стран СНГ были утрачены.
К недостаткам ГЭС следует отнести чрезвычайно высокие капитальные затраты на сооружение, длительные сроки строительства, зависимость работы от природных условий, ущерб от затопления земель и лесов.
Приливные электростанции ‒ ПЭС (рис. 2.8.) вырабатывают электрическую энергию за счет использования потенциальной энергии приливов и отливов моря. Величина прилива (в результате притяжения Луны) в различных 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 при 3–4 м высоты прилива.
Приливный энергетический потенциал на побережьях страны оценивается в 200 млрд кВт ч, что примерно равно выработке электроэнергии на всех ГЭС. Однако использование приливной анергии ведется пока еще в незначительных масштабах. Главный недостаток ПЭС − их вынужденный режим; они дают свою мощность не тогда, когдаэтого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов волн. Велика также стоимость сооружения подобных станций. Вместе с тем ПЭС дают существенную экономию топлива, поэтому в будущем область их применения будет расширяться.
Гидроаккумулирующие электростанции ‒ ГАЭС (рис. 2.9) используют гидравлическую энергию, которая ими специально накоплена. Они объединяют две установки ‒ турбинную и насосную. Насосная установка позволяет накачать воду из реки в специальный бассейн, расположенный выше реки и здания ГАЭС. Естественно, на это затрачивается энергия. В нужное время вода из бассейна может быть пропущена через турбины, которые стоят на станции под напором, тем самым будет получена определенная электрическая мощность. Следовательно, гидравлическая энергия сначала аккумулируется, а затем используется. КПД ГАЭС составляет 70–80 %. Обычно на . ГАЭС устанавливают машины, которые могут работать попеременно в турбинном и насосном режимах.
Создание ГАЭС позволяет частично решить проблему пиковой энергии. В течение суток электроэнергия потребляется неравномерно. Больше всего ее требуется либо в утренние часы, когда включаются электробытовые приборы, начинают работать предприятия и электротранспорт, либо в вечерние, когда включаются освещение и электроприборы. В ночные же часы потребление электроэнергии наименьшее ‒ чем более свободно пользуются электроэнергией в быту и промышленности, тем более неравномерно она потребляется. Для покрытия пиков нагрузки нужны специальные станции, и в их числе прекрасными возможностями обладают ГАЭС ‒ ночью, потребляя энергию ГАЭС, они накачивают воду в бассейн и создают запас энергии. В часы пика нагрузки накопленная энергия используется, отдавая кратковременную пиковую мощность потребителям.
В настоящее время в России ГАЭС находятся на начальной стадии развития. В будущем пиковая нагрузка энергосистем будет увеличиваться и число ГАЭС возрастет.
Атомные электростанции. В районах, где природные энергетические ресурсы ограничены или отсутствуют, сооружают атомные электростанции (рис. 2.10). На долю АЭС сегодня приходится примерно 4,5 % вырабатываемой в стране электроэнергии. АЭС для получения электроэнергии и тепла используют ядерное горючее. Вместо котельного агрегата на АЭС находится реактор, т.е. специальные парогенераторы.
В качестве топлива на АЭС применяют тяжелые элементы: уран-235, уран-233, плутоний-239. Расщепление ядер урана-235 происходит под действием нейтронов по цепной реакции, при этом выделяется большое количество тепловой энергии (83 %) и ядерного излучения.
Реакторы (рис. 2.11) имеют так называемую активную зону 1, в которую загружается ядерное топливо, содержащее уран-235 и замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения зоны утечки нейтронов 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 пар попадает в конденсатор 9, после чего сконденсированная вода вновь идет в теплообменник.
Все ядерные реакторы имеют специальную биологическую защиту, чтобы предохранить обслуживающий персонал от опасных радиоактивных излучений, которые вызывают ионизацию молекул клеток.
По оценкам экспертов, запасы ядерного топлива примерно в 2000 раз превышают все запасы органического топлива на Земле, его хватит на тысячелетия. Это снимает угрозу топливной недостаточности и гарантирует человечеству возможность интенсивного развития энергетики в настоящем и в будущем. Так, в настоящее время доля АЭС в суммарном производстве энергии в мире составила 55 %. Мощность АЭС мира ‒ порядка 1 млн МВт.
Геотермальные электростанции. Геотермальные электростанции используют внутреннее тепло Земли, геотермическую энергию гейзеров, термальных вод для теплофикации и производства энергии (рис. 2.12).
В России геотермальные источники существуют на Камчатке, Курильских островах, в Сибири. Впервые геотермальная станция на глубинном паре под давлением 5 атм и температурой 200 0С была построена в г. Лардерелло (Италия ) в 1904 г. Геотермальные электростанции используются в Италии, Исландии, России, Японии и Новой Зеландии.
В 1967 г. на Камчатке была построена Паужетская ГТЭС на 11 МВт, в 2000 г. запущены Мутновская ГТЭС на 200 МВт и Паратун-ская ГТЭС.
Гелиоэлектростанции. Гелиоэлектростанции используют энергию солнечных лучей (рис. 2.13) с помощью приемников двух видов: