Все об электростанциях





Особенности энергетических установок на НВИЭ


Принципы и технологические особенности энергетических установок на НВИЭ. Гелиоэнергетика. Ветроэнергетические установки (ВЭУ). Гидроэнергетика. Геотермальная энергетика. Биоэнергетика. Водородная энергетика


Гелиоэнергетика


Огромный энергетический потенциал солнца (ежегодно на Землю передается энергия, эквивалентная 50 трлн.т топлива) распределяется с весьма низкой плотностью - в среднем 150...250 Вт на квадратный метр. Чтобы получить мощность средней электростанции 1000 МВт, требуется аккумулировать солнечную энергию с площади 4 км2. Для использования солнечной энергии применяются три основных технологии.

  • Гелиоустановки горячего водоснабжения и солнечного отопления с помощью солнечных коллекторов, дающих низкотемпературное тепло. Применяются для обогрева зданий, кондиционирования воздуха, опреснения морской воды, сушки сельскохозяйственной продукции и др. (Наибольшая реализация - в Израиле, на Кипре, в США, Швейцарии, Японии, Китае, Индии, Латинской Америке, ряде стран Африки.)
  • Солнечные электростанции (СЭС), где с помощью системы ориентированных на солнце отражателей (параболоидов или параболических цилиндров), в фокусе которых находятся емкости или трубы с теплоносителем, обеспечивается нагрев этого теплоносителя до кипения, пар которого используется в паросиловом технологическом цикле (пар-турбина-электрогенератор). Для возможности беспрерывной работы установок по получению электроэнергии, независимо от времени суток (ночное время) и состояния атмосферы (пасмурная погода) в едином комплексе совмещается СЭС и газовая ТЭС. При этом днем в солнечную погоду основную нагрузку имеет СЭС, а ночью и в пасмурную погоду к тем же турбогенераторам подключается ТЭС (реализовано на ряде установок в Швейцарии, США).
  • Фотостанции (ФЭС), где происходит прямое преобразование солнечной энергии в батарее фотоэлементов. Здесь электрический ток преобразуется за счет явления фотоэмиссии, когда возбуждаемые фотонами солнечного света электроны полупроводника (легированный кремний, арсенид галлия и др.) создают в нем электрический ток. КПД промышленного фотопреобразования составляет 20...25% (в реальном использовании лидирует Швейцария). Малая плотность солнечного лучевого потока, суточные и погодные его колебания требуют использования для ФЭС огромных площадей. Эти проблемы во многом решаются при выносе ФЭС в околоземное пространство на геостанционарную орбиту.

Наиболее перспективна гелиоэнергетика для использования коллекторных гелиоустановок горячего водоснабжения и отопления, а также ФЭС малой и средней мощности для автономного энергоснабжения (особенно в горных районах).


Ветроэнергетические установки (ВЭУ)


В этих установках под напором воздушного потока ветроколесо с лопастями (или винт) вращается, передавая крутящий момент напрямую или через систему трансмиссий электрогенератору.

Основные проблемы - обеспечение надежности и эффективности при минимальных (1...2 м/с) и ураганных скоростях ветра (25 м/с и выше), а также шумовые нагрузки на окружающую среду (реализация на автономных условиях осуществлена в Германии, Дании, Швеции, США, КНР, Нидерландах, Испании и др.).

Перспективны карусельные ВЭУ с вертикальной осью вращения, для которых, в свою очередь, из-за тихоходности требуются для выработки электроэнергии специальные низкооборотные многополюсные электрогенераторы либо повышенные обороты редукторов.


Гидроэнергетика


Нетрадиционная гидроэнергетика, рассчитанная, в отличие от малых и микроГЭС, на большие мощности, связана с использованием механической энергии приливов, волн и течений.

Теоретически один приливно-отливный цикл мирового океана эквивалентен 8 трлн. кВтч электроэнергии, а практически технически возможно использовать около 2% этого потенциала. Максимальная высота приливов в благоприятных по данным условиям местам достигает 10 м. Приливные электростанции (ПЭС) сооружаются с плотинами в створе, с накоплением приливно-нагонных масс воды и пропуском приливного и отливного потока через турбины. Разрабатываются также ПЭС поплавкового типа, в которых работа, совершаемая приливом при поднятии системы, расположенной на водной поверхности поплавков, преобразуется в электричество.

Волноприбойные электростанции (ВПЭС) технологически строятся в основном по поплавковым схемам; другим техническим вариантом ВПЭС является поршневая схема, в которой волновые колебания уровня воды в вертикальных колодцах используются в качестве «поршней», прогоняющих через турбины воздух, находящийся над водой в этих колодцах.

Моретермальные электростанции (МТЭС) построены на использовании тепловой энергии океана (моря), основаны на том, что между водой на поверхности и водой на глубине уже в первые сотни метров существует значительная (до 20°С) разница температур. Они работают с применением испарительно-конденсационного цикла теплоагента на принципе испарения жидкого аммиака, фреона или другого теплоносителя за счет отбора тепла глубинной холодной воды (температура воды у поверхности в ряде географических мест океана достигает 27...28°С, а на глубинах 500...1000 м составляет 4...6°С). Технологически они выполняются погружными или полупогружными плавающими станциями.

Наиболее перспективными направлениями развития гидроэнергетики в настоящее время (2000г. и далее) считают (кроме развития гидроаккумулирующих станций - ГАЭС) малые ГЭС и микроГЭС.

К малым ГЭС (МГЭС) принято относить гидроэлектростанции мощностью 0,1...30 МВт (при этом для них введено ограничение по диаметру рабочего колеса турбины - 3 м и по мощности одного гидроагрегата - 10 МВт). Установки мощностью менее 0,1 МВт относятся к категории микроГЭС.

Основными критериями при принятии решения о строительстве малых и микроГЭС являются:

  • наличие благоприятных местных условий по источнику воды и рельефу;
  • отсутствие развитых региональных энергосистем;
  • целесообразность создания автономной системы энергоснабжения.

По экспертным оценкам экономический гидроэнергетический потенциал, пригодный к эксплуатации системами малых ГЭС и микро-ГЭС, в мире составляет около 35% от общего гидроэкономического потенциала. В настоящее время (2000г.) он используется не более чем на 3...5%.

В связи с изложенным рынок малых и особенно микроГЭС, сдаваемых подрядчиком «под ключ» является весьма перспективным в мире.



Геотермальная энергетика


Потенциал геотермальной энергии базируется на использовании естественного тепла Земли. В среднем на планете температура повышается на 33°С на 1 км глубины. Однако есть территории, где уже на относительно небольшой глубине температура горных пород и пропитывающих их подземных растворов (источников) весьма велики.

В зависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяются:

  • на низко- и среднетемпературные с температурой до 130...150°С;
  • высокотемпературные с температурой более 150°С.

Технология использования геотермальной энергии заключается в извлечении на поверхность при помощи пробуренных скважин горячих подземных вод - гидротерм или парогидротерм, отбор их тепла и дальнейшая закачка охлажденной воды в пласты для ее повторного нагрева в «природном котле».

Низко- и среднетемпературные гидротермы используются в основном для обогрева и теплоснабжения (Рейкьявик и другие города Исландии, Италия, Франция, Новая Зеландия, Япония, США и др.) - на ГеоТЭС.

Высокотемпературные источники, содержащие сухой пар, выгоднее для сооружения ГеоТЭС (Мексика, Новая Зеландия, Калифорния (США) и др.). В двухконтурных ГеоТЭС в турбинах непосредственно работает пар или органический теплоноситель второго контура, который получает тепло от химически агрессивных первичных парогидротерм.

Тепло сухих горных пород, нагретых до достаточно высоких температур, используется с помощью циркуляционной закачки в горячие пласты поверхностной воды в геотермальных энергоустановках на основе подземных циркуляционных систем - ПЦС. По этой же технологии создаются системы теплоснабжения и ГеоТЭС (США, Англия, Германия).

Отдельным направлением в геотермальной энергетике является технология комплексной переработки поступающих на ГеоТЭС паро-гидротерм с извлечением из них ценных компонентов (сероводород, редкие металлы и др.). При этом используется энергия самой ГеоТЭС.

В последние годы (2000 г. и далее) разработаны новые системы теплоснабжения на базе термальных вод, от газотурбинных станций, тепловых насосов.

Они могут применяться как в промышленных, так и жилых районах.

Самые приблизительные расчеты позволяют оценить ресурсы термальных вод Камчатки, Западной Сибири, Дагестана и др. - эквивалентными 100 млн т условного топлива в год.

Термальные воды могут быть использованы для выработки электроэнергии, теплоснабжения зданий, опреснения соленой воды, обогрева теплиц для выращивания овощей и фруктов и для других целей. Особенно целесообразны они для теплоснабжения, поскольку наиболее часто встречаются с температурами ниже 100°С. После этого охлажденные воды могут быть направлены в парники и теплицы, в плавательные бассейны и др.

Особенно выгодно использование тепла подземных вод в районах, удаленных от мест добычи горючих ископаемых или природного газа.

Некоторые трудности при использовании этих вод создаются их повышенной минерализацией и загазованностью, вызывающие выпадение солей в трубопроводах системы отопления и их коррозию. Для предотвращения выпадения солей в системах отопления применяются поверхностно-активные вещества и различные способы обработки этой воды. Для систем отопления на термальных водах нецелесообразно применять распространенные типы радиаторов большой емкости, в которых вследствие малых скоростей движения воды могут быть вызваны выпадения осадков. Целесообразно в этом случае может быть применение воздушного отопления, поскольку в этих системах протяженность трубопроводов в несколько раз меньше. При этом лучше всего совмещение воздушного отопления с вентиляцией, так как термальные воды могут быть охлаждены до более низкой температуры из-за нагрева холодного наружного воздуха.

При температурах термальных вод ниже 70°С предусматриваются дополнительные высокотемпературные источники тепла, включающиеся при низких температурах наружного воздуха. Ими могут быть электроотопительные установки, пиковые котельные для дополнительного подогрева термальных вод, тепловые насосы.

В крупных системах теплоснабжения при использовании термальных вод могут применяться два теплоносителя: первичный - термальная вода и вторичный - обычная вода. В этом случае термальная вода или непосредственно своим теплом, или с подогревом в пиковой котельной нагревает в специальных теплообменниках вторичный теплоноситель - воду. Наружные сети и системы отопления в такой схеме выполняются в традиционном варианте.

Оборудование пиковых котельных - теплообменники, арматура, насосы и трубопроводы - должно выполняться и эксплуатироваться с учетом особенностей термальной воды. Производство такого оборудования, как и оборудования всей системы теплоснабжения от термальных источников, тепловых насосов и газотурбинных установок, достаточно перспективно.



Биоэнергетика


Основным видом биомассы, используемой в биоэнергетике, является некоммерческое топливо: древесина и ее отходы, отходы растениеводства и животноводства, а также бытовые отходы.

Используемые промышленные технологии включают в себя:

  • прямое сжигание;
  • сжигание в смеси с основным топливом;
  • термохимическую переработку (газификация топлива);
  • биохимическую конверсию (получение биогаза, спирта, этанола)

Суммарный энергетический потенциал некоммерческого топлива в мире составляет свыше 4 млрд т у.т. в год.

Выработка тепловой и электрической энергии на основе прямого и совместного с основным топливом сжигания получила развитие в Швеции, Финляндии, Германии, Канаде, США, Дании и др.

Получение биогаза наиболее развито в Китае (в том числе и кустарными и полукустарными способами), Индии, странах Юго-Восточной Азии, при этом получают также удобрения для сельскохозяйственных нужд.

Получение этанола, этилового спирта на базе биохимической конверсии некоммерческого топлива сильно развито в Бразилии - крупнейшем в мире производителе этилового спирта. Здесь значительная часть автопарка работает на чистом этаноле или спиртобензиновых смесях.

Для усовершенствования технологии биохимической конверсии в особенности бытовых отходов разрабатываются высокоэффективные штаммы анаэробных микроорганизмов, а также разные варианты различных композиций энергетической биомассы, позволяющие повысить выход и качество биогаза.



Водородная энергетика


Главное достоинство водорода, как энергетического топлива, в том, что его удельная теплота сгорания почти втрое выше, чем у нефти, а при его сгорании образуется абсолютно экологически безопасная вода.

Технологический недостаток водорода - его повышенная взрывоопасность и проблемы хранения.

Способами получения водорода являются:

  • электролитический, когда водород получается при разложении воды на водород и кислород с помощью пропускаемого электрического тока; при этом производительность электролизных установок ограничена выходом водорода до 5 м3/ч с 1 м2 поверхности электродов;
  • плазмохимический, с технологией, основанной на создании электрического тока в ионизированном газе, находящемся в магнитном поле, когда химические реакции происходят в результате передачи энергии от «горячих» электронов молекулам газа;
  • плазмохимический, с технологией получения водорода из сероводорода;
  • получение водорода из обратимых топливных элементов.


Энергетика на топливных элементах (ТЭ)


Одним из перспективных способов прямого, экологически чистого преобразования химической энергии топлива в электрическую является технология с использованием топливных элементов (ТЭ). Энергетическая установка содержит батарею ТЭ с соответствующими параллельно-последовательными схемами их соединения. Установка включает три фазы физико-химической системы: газ (топливо-окислитель), жидкий электролит (проводник ионов), металлический электрод (проводник электронов).

Принципиально важным достоинством современных ТЭ является их способность использования в качестве восстановителя газового топлива разного происхождения - природного газа, синтетического газа, биогаза, продуктов газификации (угля, метанола, дизельного топлива, биомассы и др.), а также экологическая чистота и бесшумность процесса.

Технология получения электроэнергии требует двух электродов (катод и анод) и электролит. Топливо (восстановитель) окисляется на аноде, т.е. отдает электроны. Они поступают с анода во внешнюю электрическую цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит. С другого конца внешней цепи электроны подхо дят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединения электронов окислителем-кислородом). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду. Таким образом, в ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом электроде.

При производстве электроэнергии используются следующие типы ТЭ:

  • низкотемпературные ТЭ со щелочным электролитом и твердополимерной ионообменной мембраной;
  • среднетемпературный ТЭ с фосфорно-кислым электролитом;
  • высокотемпературные ТЭ с расплавленным карболитным или твердооксидным электролитом.

Повышение температуры реакций снижает «отравляемость» катализатора и электродов окисью углерода и увеличивает эффективность процесса окислителя на катоде. Известны ТЭ, работающие при температуре 650...700°С с анодами из никель-хромового композита, катодами из спеченного и окисленного алюминия, и электролитом из расплава карбонатов щелочных металлов (лития и калия). Перспективными считаются энергетические установки на ТЭ с электролитом из твердых оксидов металлов (обычно двуокиси циркония) с рабочей температурой около 1000°С и выше. КПД таких установок около 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукции газификации угля со значительным содержанием окиси углерода. Сбросовое тепло высокотемпературных установок может использоваться для производства пара, который поступает в стандартный турбоэлектро-генераторный цикл, что значительно повышает эффективность использования топлива в комплексе.



Термоядерная энергетика


Одним из перспективных и практически неисчерпаемых источников энергии считается управляемый термоядерный синтез (УТС). Реакция УТС возможна только в горячей плазме. Критерием ее реализации является температура плазмы не менее 100 млн °С, время ее стабильного удержания при достаточно высокой плотности, а также необходимый объем плазмы при высокой напряженности магнитного поля.

Этого возможно достичь в тороидальной магнитной ловушке ТОКАМАК. Научно-исследовательские работы по этой технологии требуют значительных инвестиций и целесообразны для продолжения.

В термоядерных реакциях синтеза участвуют тяжелые изотопы водорода дейтерия (Д) и трития (Т) соответственно с двумя и тремя нейтронами в ядре.

При реакции Д+Д и Д+Т при слиянии ядер дейтерия и трития образуется нестабильное ядро гелия-5, которое быстро распадается на альфа-частицу (гелия-4) и нейтрон с выделением энергии. В природном водороде дейтерия достаточно много (его можно получить из морской воды), а тритий получают из лития. В термоядерной реакции литиево-дейтериевого цикла нет радиоактивных осколков деления (как в ядерном топливном цикле, которое имело место в Чернобыле и Тримайл-Альеде).

Перспективна также лазерно-импульсная технология разработки ядерного реактора. Здесь на расположенный в фокусе группы шарик из смеси дейтерия и трития (лития) синхронно воздействуют мощными лазерными импульсами, создающими в шарике наряду с испарением его поверхности необходимые для реакции температуру и давление плазмы и термоядерный взрыв.


Другие статьи по данной теме: