Электростанции различных типов

Развитие мировой и отечественной энергетики сталкивается с рядом серьезных проблем.

Рост народонаселения, промышленное и социальное развитие общества требуют значительного увеличения производства энергии. При этом к середине следующего века станет вполне реальной острая нехватка органических энергоносителей, которые дают сегод­ня около 80% всей востребованной энергии. Стоимость добычи и транспортировки топлива постоянно растет, и процесс этот будет продолжаться, т.к. новые месторождения зачастую находятся в удалённых, труднодоступных районах, на значительной глубине за­легания. Удорожание топлива связано и с тем, что нефть, газ, уголь являются важным сырьем для многих, отраслей промышленности, и утверждение “топить нефтью все равно, что топить ассигнациями” не теряет своей актуальности.

Все более приходится считаться с влиянием энергетики на окружающую среду и необходимостью существенно уменьшить это вли­яние.

Поэтому во всем мире ведутся работы по поиску новых видов источников энергии, в том числе возобновляемых и экологически чистых. Некоторые из этих разработок рассмотрены ниже.

Магнитогидродинамические (МГД) установки. Принцип работы этих установок позволяет непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую (рис.1.17). Между металлическими пластинами 1, расположенными в сильном магнитном поле, пропуска­ется струя 2 ионизированного газа. В соответствии с законом электромагнитной индукции наводится ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Отсутствие в МГД- генераторе движущихся час­тей позволяет достичь температуры рабочего тела 2550…2600 0С на входе и обеспечить КПД термического цикла 70...75%.

MГД- yстановки могут работать по различиям схемам. Один из вариантов - с ядерным реактором по замкнутому циклу (рис.1.17.б.). Рабочее тело (аргон или гелий с добавлением цезия) нагревается в ядерном реакторе или в высокотемпературном теплообменнике 3 и поступает в МГД- канал 4 где тепловая энергия движущейся плазмы превращается в электрическую. Отработавшие в МГД- канале газы, имеющие температуру около 1500 ⁰С, поступают в парогенера­тор 5, который обеспечивает работу паротурбинной установки 6. МГД- цикл замыкается через компрессор 7, возвращающий газ в реактор или теплообменник 3.

.

Рис.1.17. МГД- установка.

а- принцип работы МГД- генератора; б- МГД- установка с ядерным реактором.

Мощность опытно-промышленной МГД- установки, работающей на одной из ТЭС, составляет 25 МВт. В стадии технического освоения находится установка мощностью 500 МВт. В этом процессе есть ряд трудностей, сдерживающих темпы внедрений МГД- генераторов: создание магнитных полей с высокой индукцией; достижение вы­сокой проводимости плазмы при температурах до 2500 ⁰С; созда­ние термо-жаростойких материалов; получение переменного тока, который приходится инвертировать из постоянного, вырабатывае­мого МГД- установкой. Тем не менее, разработка и внедрение МГД- генераторов имеет достаточно хорошие перспективы.

Термоядерные установки. Создание промышленных установок та­кого типа способно практически полностью решить проблему по­лучения необходимого количества энергии. Запас изотопов дейте­рия и трития, исходного топлива для термоядерных реакторов, на Земле практически неограничен. В процессе термоядерной реакции выделяется колоссальная энергия. Это происходит на Солнце, а также при взрыве водородной бомбы. Чтобы управлять таким про­цессом, следует обеспечить ряд условий: плотность топлива не менее 10¹⁵ ядер в 1 см³; температура градусов; данное состояние топлива должно удерживаться, доли секунды.

Работы по созданию термоядерного реактора интенсивно проводились в СССР, США, Японии. Были получены определённые положи­тельные результаты, например, установка "ТОКОМАК" в институте атомной энергии им. И.В.Курчатова. Однако значительные техни­ческие и научные проблемы пока не позволили создать реальную промышленную термоядерную установку.

Солнечные электростанции. Земля получает ежегодно от Солнца 10¹⁷ Вт, что в 20000 раз больше.современного уровня потребления энергии. Естественным является преобразование солнечной энергии в тепловую. Такие установки используются человеком издревле. Из­вестен и достаточно простой способ преобразования солнечной энергии в электрическую- с помощью фотоэлементов. Поэтому до­статочно интенсивно ведутся работа по созданию солнечных электростанций (СЭС). Особое значение при этом имеет эко­логическая чистота и возобновляемось такого энергоресурса. В результате за последние 50 лет сооружены десятки СЭС в США, Австралии, Италии, Океании и других климатически пригодных регио­нах. В СССР была построена Крымская СЭС мощностью 5 МВт, проектировалась станция в Средней Азии общей мощностью 200 МВт.

Однако существуют значительные трудности го созданию и использованию СЭС, которые не позволяют пока солнечным электрическим станциям в полном объеме конкурировать с ТЭС и ГЭС. Это непостоянство солнечного излучения по времени суток, года и в зависимости от погодных условий; низкая плотность излучения у поверхности Земли; недостаточные технические характеристики существующих фотоэлементов. В результате КПД установок СЭС составляет около I5%, а получение значительных мощностей связано с размещением оборудования на больших территориях в десятки квадратных километров и соответствующим расходом материалов. Тем не менее, работы по совершенствованию СЭС продолжается.

Геотермальные станции (ГеоТЭС). Такие станции в качестве ис­точника энергии используют тепло земных недр. Основные типы ГеоТЭС работают на горячей воде под давлением, на воде с паром, на сухом паре или газе (петротермальная энергия).

В среднем на каждые 30...40 м в глубь Земли температура возрастает на 1 ⁰С и на глубине 10…15 км она достигает 1000— 1200 ⁰С. В некоторых же частях планеты температура достаточно высока в непосредственной близости от поверхности. В этих мес­тах бьют мощные горячие подземные воды, пар, газ. Здесь могут быть размещены ГеоТЭС. Например, в долине Гейзеров в США общая мощность ГеоТЭС составляет 900 МВт, ГеоТЭС Ларделло в Италии имеет мощность 420 МВт, а станция Вайракет в Новой Зеландии -290 МВт. Работают достаточно мощные ГеоТЭС в Мексике, Японии, Исландии и в других странах. Российская ГеоТЭС на Камчатке име­ет мощность 5 МВт.

Экологическая чистота, возобновляемость тепловой энергии Земли, достаточная простота конструкции являются несомненными достоинствами ГеоТЭС.

Недостатки геотермальных станций - жесткая привязка к месту выхода тепла на поверхность Земли и ограниченные параметры ра­бочего тела по давлению и температуре.

Приливные электростанции (ПЭС). Современные ПЭС используют фазу прилива и отлива, их агрегаты (турбины) обратимы и работают при движении воды из моря в залив и наоборот (рис.1.18). Такие установки способны работать в турбинном и насосном режиме.

ПЭС работают в России (Кислогубская, 400 кВт), Японии, Франции и других странах. Наиболее мощная ПЭС расположена в устье реки Ране во Франции - 240 МВт.

Рис.1.18. Схема однобассейновой ПЭС.

а-вид сверху; б-разрез

ВГП- высший горизонт прилива

ВГО- высший горизонт отлива

Приливная энергия экологически чиста, возобновляема, неизменна в годовом и многолетнем периодах, однако, значительно меняет­ся в течение лунного месяца и может быть использована только в конкретных географических точках на побережьях морей и океанов при наличии необходимого рельефа.

Электростанции, использующие морскую энергию. Энергия волн, течений, градиентов температур и солености морей и океанов мо­жет быть преобразована в электрическую. Спроектированы и испы­таны несколько типов преобразовательных установок. Например, турбина "Кориолис" мощностью 80 МВт предназначена для станций, использующих океанические течения.

Ветровые электростанции (ВЭС). Человек всегда использовал энергию ветра. Преобразование этой энергии в электрическую принципиально весьма просто. В СССР уже в 20-е годы была сооруже­на Курская ВЭС мощностью 8 кВт. Крупнейшая в мире установка мо­щностью 1050 кВт в одном агрегате работала в США с 1941 г.

Однако при определённых достоинствах (экологическая чисто­та, возобновляемость, простота и дешевизна использования), энер­гия ветра имеет и существенные недостатки, ограничивающие стро­ительство ВЭС. Это большая неравномерность плотности ветровой энергии и ее выделения, зависимость от многих географических, климатических, метеорологических факторов и др. Поэтому в насто­ящее время экономически оправданными являются ВЭС ограниченной мощности локального использования.