Печать

Откуда берется электричество?

В данном разделе мы попытались коротко и на доступном для простого обывателя языке сделать обзор существующих источников энергии. Здесь мы планируем разместить информацию как об уже существующих источниках электроэнергии, так и рассмотреть новые и альтернативные виды энергии.

 

Какие бывают электростанции.

На пороге XXI века человек все чаще стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Энергия была и остается главной составляющей жизни человека. Люди прошли путь от первого костра до атомных электростанций.

Существуют «традиционные» виды альтернативной энергии: энергия Солнца и ветра, морских волн и горячих источников, приливов и отливов. На основе этих природных ресурсов были созданы электростанции: ветряные, приливные, геотермальные, солнечные.

Схема выработки и распределения электричества

 

Ветряные электростанции.

Принцип действия ветряных электростанций прост: ветер крутит лопасти ветряка, приводя в движение вал электрогенератора. Генератор в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Получается, что ветроэлектростанции работают, как игрушечные машины на батарейках, только принцип их действия противоположен. Вместо преобразования электрической энергии в механическую, энергия ветра превращается в электрический ток.

 

Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью (тогда у нее есть груз противовес); вертикальные роторы, напоминающие разрезанную вдоль и насажанную на ось бочку; некоторое подобие «вставшего дыбом» вертолетного винта: наружные концы его лопастей загнуты вверх и соединены между собой. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления. Остальным приходится разворачиваться по ветру.

 

Производство ветряков очень дешево, но их мощность мала, и их работа зависит от погоды. К тому же они очень шумны, поэтому крупные установки даже приходится на ночь отключать. Помимо этого, ветряные электростанции создают помехи для воздушного сообщения, и даже для радиоволн. Применение ветряков вызывает локальное ослабление силы воздушных потоков, мешающее проветриванию промышленных районов и даже влияющее на климат. Наконец, для их использования необходимы огромные площади много больше, чем для других типов электрогенераторов.

 

Схема работы ветряка

 

Приливные электростанции.

Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Первая такая электростанция (Паужетская) мощностью 5 МВт была построена на Камчатке. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн — перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины, которые вращают генератор. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит.

Считается экономически целесообразным строительство приливных электростанций в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность приливной электростанции зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

 

В приливных электростанциях двустороннего действия турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно. Приливные электростанции двустороннего действия способна вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки. Для увеличения времени работы турбин существуют более сложные схемы — с двумя, тремя и большим количеством бассейнов, однако стоимость таких проектов весьма высока. Недостаток приливных электростанции в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны.

 

Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым — условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения. Морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды,способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.

Схема работы приливной электростанции

 

Геотермальные электростанции.

 

Схема работы геотермальной электростанции двойного назначения

Электростанции такого типа преобразуют внутреннее тепло Земли (энергию горячих пароводяных источников) в электричество. Первая геотермальная электростанция была построена на Камчатке. Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции. Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшийся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся в ней газы.

К недостаткам геотермальных электроустановок относится возможность локального оседания грунтов и пробуждения сейсмической активности. А выходящие из-под земли газы создают в окрестностях немалый шум и могут, к тому же, содержать отравляющие вещества. Кроме того, геотермальную электростанцию построить можно не везде, потому что для ее постройки необходимы определенные геологические условия.

А — первый (паровой) контур;

Б — второй контур (на изо-бутане);

1 — производительная скважина; 2 — сепаратор; 3 — паровая турбина;

4 — теплообменник; 5 — насос закачки; 6 — скважина закачки;

7 — перегреватель; 8 — турбина на низкокипящем рабочем теле;

9 — воздушный конденсатор; 10 — конденсатосборник; II — насос

Схема работы геотермальной электростанции

 

Солнечные электростанции.

В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: солнечные электростанции  башенного типа и солнечные электростанции  распределенного (модульного) типа.

В башенных солнечных электростанциях  используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем значительно сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550ºС, воздух и другие газы — до 1000ºС, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) — до 100ºС, жидкометаллические теплоносители — до 800ºС.

 

1 — прозрачная оболочка,

2 — поглощающая оболочка,

3 — паропровод,

4 — трубопровод с водяными насосами,

5 — паровая турбина,

6 — конденсатор,

7 — линия электропередачи

Схема работы аэростатной  солнечной электростанции с паровой турбиной

Главным недостатком башенных солнечных электростанций  являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Так, для размещения солнечной электростанции  мощностью 100 МВт требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт — всего 50 га. Башенные солнечные электростанции  мощностью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт , а высота башни 250 м.
В солнечных электростанциях  распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная солнечная электростанция  этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.
При небольшой мощности солнечные электростанции  модульного типа более экономичны чем башенные. В солнечныч электростанциях  модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100.

Энергия солнечной радиации может быть преобразована в постоянный электрический ток посредством солнечных батарей — устройств, состоящих из тонких пленок кремния или других полупроводниковых материалов. Преимущество фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок их службы практически не ограничен. Они имеют малую массу, отличаются простотой обслуживания, эффективным использованием как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Модульный тип конструкций позволяет создавать установки практически любой мощности и делает их весьма перспективными. Недостатком ФЭП является высокая стоимость и низкий КПД (в настоящее время практически 10-12 %).

Солнечные батареи пока используются в основном в космосе, а на Земле только для энергоснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолетов. В 1988 г. в Австралии состоялись первые всемирные ралли солнечных автомобилей. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.

 

Тепловые электростанции.

Тепловые электростанции работают по такому принципу: топливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри расположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та, в свою очередь, — вал электрического генератора. Затем отработавший пар конденсируется; вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котел.

 

Тепловые электростанции работают на органическом топливе, и их строят обычно вблизи мест добычи топлива. Тепловые электростанции используют в качестве топлива сравнительно дешевые уголь и мазут. Но эти виды топлива — невосполнимые природные ресурсы. Основные энергетические ресурсы в мире сегодня — уголь (40%), нефть (27%), газ (21%). Этих запасов, по некоторым оценкам, хватит, соответственно, на 270, 50 и 70 лет, и то при условии, что человечество будет расходовать их с той же скоростью, с какой расходует сегодня.

ТЭС работают на органическом топливе и поэтому их строят вблизи мест его добычи. В качестве топлива используется дешевый уголь и мазут. Но это, к сожалению, невосполнимые природные ресурсы, которых хватит лишь на несколько десятков лет. К тому же, в процессе сгорания топлива образуются вредные вещества, неблагоприятно влияющие на окружающую среду.

 

Схема работы тепловой электростанции

 

Гидроэлектростанции.

Гидрозлектростанции преобразуют энергию потока воды в электроэнергию посредством гидравлических турбин, приводящих во вращение электрические генераторы. Наибольший КПД гидроэлектростанция имеет тогда, когда поток воды падает на турбину сверху. Для этих целей строится плотина, поднимающая уровень воды в реке и сосредотачивающая напор воды в месте расположения турбин.

Самая мощная ГЭС — Красноярская (6 ГВт); объем ее водохранилища — 73,3 км³.

 

Схема работы гидроэлектростанции:

Происходит преобразование энергии движущейся воды в электричество путем ее подачи непосредственно на турбину.

 

При постройке плотины образуется водохранилище. Вода, залившая огромные площади, необратимо изменяет окружающую среду. Подъем уровня реки плотиной может вызвать заболоченность, засоленность, изменения прибрежной растительности и микроклимата. Кроме того, плотина перегораживает путь рыбе, идущей на нерест. Затапливаются поля, леса, выселяются с насиженных мест люди.

Модель работы волновой электростанции

 

Атомные электростанции.

Принцип работы атомной электростанции

 

Такие электростанции действуют по такому же принципу, что и «ТЭС, но используют для парообразования энергию, получающуюся при радиоактивной распаде. В качестве топлива используется обогащенная руда урана. Ядерный реактор работает на основе цепной ядерной реакции, когда деление одного ядра вызывает деление других ядер; таким образом, реакция сама себя поддерживает. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рисунке.

 

Схема развития цепной реакции деления ядер урана

 

 

Нейтрон

Практическое осуществление цепных реакций — не такая простая задача, как это выглядит на схеме. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызвать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, для разрушения же ядер изотопа урана с массовым числом 238 их энергия оказывается недостаточной. В природном уране на долю урана-238 приходится 99,3%, а на долю урана-235 всего лишь 0,7%.

Минимальная масса урана, в котором может возникнуть цепная реакция, называется критической массой. Критическая масса для урана-235 — несколько десятков килограммов. ’Первыми ядерными реакторами были реакторы на медленных нейтронах.Медленные нейтроны хорошо взаимодействуют с ядрами урана-235 и поглощаются ими в 500 раз эффективнее, чем быстрые. Поэтому при облучении природного урана медленными нейтронами большая часть их поглощается не в ядрах урана-238, а в ядрах урана-235 и вызывает их деление. Значит, для развития цепной реакции в природном уране скорости нейтронов должны быть уменьшены до тепловых. |Замедление нейтронов происходит в результате столкновения с атомными ядрами среды, в I

которой они движутся. Для замедления в реакторе используется специальное вещество, называемое замедлителем. Обычно это вода или графит.

Управление реактором производится с помощью специальных управляющих стержней, вводимых в активную зону реактора. Управляющие стержни изготавливаются из соединений бора или кадмия, поглощающих тепловые нейтроны с очень большой эффективностью. Поглощая значительную часть нейтронов, они делают невозможным развитие цепной реакции. Для запуска реактора стержни выводятся из активной зоны до тех пор, пока выделение энергии не достигнет заданного уровня. При увеличении мощности свыше установленного уровня включаются автоматы, погружающие управляющие стержни в глубь активной зоны.

 

 

Реактор на медленных нейтронах

Цифрами на рисунке обозначены:

1.- Защита от радиации
2.- Отражатель
3.- Регулирующие стержни
4.- Ядерное горючее и замедлитель
5.- Теплоноситель
6.- Пар
7.- Турбина
8.- Генератор
9.- Конденсатор
10.- Вода
11.-Парогенератор

 

Термоядерные электростанции

 

 

 

В настоящее время ученые работают над созданием Термоядерных электростанций, преимуществом которых является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченное время. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза — реакции синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия и выделением энергии. Реакция термоядерного синтеза не дает газообразных и жидких радиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется для производства ядерного оружия. Если еще учесть, что горючим для термоядерных станций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простой воды — в полулитре воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, что получится при сжигании бочки бензина, — то преимущества электростанций, основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.

Интернациональный термоядерный реактор ИТЭР

Хочется верить, что эра экологически опасных ГЭС и АЭС скоро закончится, и наступит время новых электростанций — термоядерных. Но, несмотря на то, что проект ИТЭР (Интернациональный термоядерный реактор) уже почти готов; несмотря на то, что уже на первых действующих экспериментальных термоядерных реакторах получена мощность, превышающая 10 МВт — уровень первых атомных электростанций, первая термоядерная электростанция заработает не ранее, чем лет через двадцать, потому что ее стоимость очень велика. Например, для постройки ИТЭРа требуется, по самым скромным подсчетам, от 8 до 10 млрд. долларов и 10 лет работы. Эти цифры вызывают глубокое смущение у участников проекта, США даже вышли из него.

Возобновляемые виды энергии

Выдвигается множество различных идей и предложений по использованию всевозможных возобновляемых видов энергии. Даже навоз может служить источником энергии! Как топливо используют не только навоз, но и продукты его переработки. Перерабатывают навоз чаще совместно с отходами коммунального хозяйства. Дело в том, что оба вида биомассы содержат микроорганизмы, которые в определенных условиях (в частности, при температуре 50-60ºС, без доступа воздуха) разлагают органические вещества до биогаза. Этот процесс обязательно происходит с участием особых веществ — ферментов — и поэтому называется ферментацией.

Схема переработки отходов животных

Отходы идут по трубопроводу на электростанцию, где в специальном реакторе подвергаются биологической переработке. Образующийся газ используется для получения электроэнергии, а переработанные бактериями отходы — для удобрения.

Основной составляющей биогаза является метан, при сгорании которого выделяется тепло. Установки для ферментации навоза очень удобно использовать на фермах, полностью обеспечивая их потребности в энергии (рисунок). Ферментация навоза — очень экономичная технология. Недостатками получения и использования биогаза являются его повышенная взрывоопасность и возможность заражения человека паразитами, обитающими в разлагающейся биомассе. Перерабатывая 70 тонн навоза ежедневно, можно получить 40 кВт/ч.

Электростанции с двигателем внутреннего сгорания

Считается, что изобретателем двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является выдающийся голландский математик Х. Гюйгенс. Однако предложенный им двигатель построен не был. В 1866 г. германские ученые Ланген и Н. Отто создали более эффективный газовый двигатель. А в 1891 г. германский инженер Р. Дизель построил двигателя внутреннего сгорания с воспламенением смеси от сжатия. Идея и принцип работы двигателя Рудольфа Дизеля излагалась следующим образом:

Рабочий процесс в двигателе внутреннего сгорания, отличающийся тем, что поршень в цилиндре настолько сильно сжимает воздух или смесь какого-нибудь другого индифферентного газа (пара) с воздухом, что возникающая при этом температура сжатия значительно превышает температуру воспламенения топлива; при этом сгорание постепенно вводимого после мертвой точки топлива совершается так, что в цилиндре двигателя не происходит существенного повышения давления и температуры.

При осуществлении рабочего процесса, описанного выше, к рабочему цилиндру присоединяется многоступенчатый компрессор с ресивером. Равным образом возможно соединение нескольких рабочих цилиндров между собой или же с цилиндрами для предварительного сжатия и последующего расширения.

Через год после получения патента теоретическая часть работы Дизеля была изложена им в брошюре «Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели». В таком двигателе, считал Дизель, повышение температуры расширяющейся газовой смеси должно производиться не только в результате сгорания топлива, но и до начала этого процесса — путем предварительного сжатия чистого воздуха в цилиндре. Работать «рациональный двигатель», как и газовые двигатели Отто, должен был 1 по четырехтактному циклу. Однако последние всасывали не чистый воздух, а рабочую смесь, состоящую из воздуха и газообразного горючего, что не позволяло из-за возможности преждевременного воспламенения смеси достигать высоких степеней сжатия. Чистый воздух, всасываемый по циклу Дизеля, можно было доводить до каких угодно технически осуществимых степеней сжатия. Если в двигателях Отто смесь зажигалась электрической искрой, то в двигателе Дизеля раскаленный воздух сам воспламенял поступающее горючее. Наконец, Дизель планировал осуществить постепенное сжигание топлива по мере его поступления без существенного повышения температуры в цилиндре на этапе рабочего хода, в то время как в двигателе Отто смесь сгорала быстро, почти взрывообразно. Таким образом, Дизель надеялся вплотную приблизиться к реализации термодинамического цикла Карно.

Столетняя история развития ДВС в совокупности с последними достижениями в области электроники и вычислительной техники способствовала созданию современных электростанций с двигателями внутреннего сгорания.

В настоящее время компактные передвижные электростанции становятся предметом повседневного использования. Домашние электростанции, работающие на бензине и дизельном топливе, позволяют подавать электроэнергию в дом автономно, без централизованной электросети, поэтому их всё чаще используют в коттеджах и на дачах. Автономные электрогенераторы не занимают много места, при этом в некоторых моделях предусмотрена система автоматического запуска с переключением потребителя на электростанцию (автозапуск). В этом случае приблизительно через 20-50 секунд после обесточивания электросети все включенные бытовые электроприборы могут быть вновь «оживлены» домашней электростанцией, а при восстановлении централизованного электропитания она автоматически отключится с перерывом подачи напряжения в сеть всего на 2-5 сек.

 

Составные части электроагрегата - рама, двигатель, генератор, топливный бак, амортизаторы

Составные части дизельного / бензинового электроагрегата

Домашняя электростанция состоит из двигателя внутреннего сгорания (карбюраторного или дизельного), приводящего в действие генератор, который вырабатывает электроэнергию напряжение 220 или 380 В частотой 50 Гц . Чаще используются генераторы синхронного типа, хотя они могут быть и асинхронными. В отдельных моделях электрогенераторов предусмотрено трёхфазное напряжение 380 или 400 В, а также постоянное напряжение 12 В для подзарядки аккумуляторной батареи автомобиля. Электростанции с карбюраторным двигателем работают на бензине (обычно, марки АИ-92), а с дизельным двигателем — на дизельном топливе. Самый простой из используемых двигателей — одноцилиндровый двухтактный с воздушным охлаждением, а самый сложный — дизельный двенадцатицилиндровый четырёхтактный с водяным охлаждением.

Электростанции различаются значениями рабочих параметров: мощности, ресурса, экономичности и рядом других.

Мощность их может быть от 0,35 кВт до 500 кВт и более, но при домашнем применении она обычно не превышает 5-20 кВт. Нужно заметить, что бензиновые электрогенераторы имеют мощность от 0,35 до 11 кВт, в то время как дизельные электростанции — от 2,5 кВт и выше.

Другой немаловажный параметр — ресурс гарантируемой безотказной работы до первого капитального ремонта электростанции, измеряемый в моточасах. По нему электростанции можно условно разделить на три группы — сезонные (с ресурсом от 500 до 1000 моточасов), робусты — только для питания бытовых электроприборов и электроинструмента (с ресурсом от 1500 до 2500 моточасов) и долговременного пользования (с ресурсом 3000 моточасов и более). Стоимость электростанции, как бензиновой, так и дизельной, растет пропорционально её ресурсу.

Третий рабочий параметр — расход топлива, выражаемый в литрах расходуемого топлива за один час непрерывной работы двигателя или сокращённо — л/час. Имея эти данные, можно подсчитать экономичность электростанции, которую оценивают стоимостью одного часа её работы в рублях.

В данной статье рассмотрен далеко не полный перечень способов выработки электроэнергии и, соответственно, не все типы электростанций. При появлении новой информации данная статья будет обновляться.