Современные способы получения электрической энергии.

Общая энергетика.

Современные способы получения электрической энергии.

ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ.

Производство электрической энергии на ТЭС сопро­вождается большими потерями теплоты. В то же время многим отраслям промышленности таким, как химиче­ская, текстильная, пищевая, металлургическая, и ряду других теплота необходима для технологических целей. Для отопления жилых зданий требуется в значительном количестве горячая вода.

В нашей стране больше ½ всего добываемого топли­ва расходуется на тепловые нужды предприятий. Ориентировочное представление о потреблении теплоты в промышленности можно получить, рассмотрев потребно­сти в нем какого-либо конкретного предприятия. Напри­мер, на автомобилестроительном заводе приблизительно ¾ всей потребляемой теплоты идет на отопление, венти­ляцию и бытовые нужды и только ¼ расходуется на про­изводственные цели. Противоположная ситуация на азот­нотуковом комбинате — предприятии химической про­мышленности. Здесь примерно ¾ всей потребляемой теплоты расходуется на производственные цели. Удов­летворение потребностей в теплоте сооружением неболь­ших индивидуальных котельных, как правило, не эконо­мично, так как такие установки работают с небольшими КПД и технически менее совершенны, чем крупные ус­тановки современных мощных ТЭС.

В этих условиях естественно использовать пар, полу­чаемый в парогенераторах на тепловых станциях, как для выработки электроэнергии, так и для теплофикации потребителей. Электростанции, выполняющие такие функции, называются теплоэлектроцентралями.

Отработанный в турбинах конденсационных станций пар имеет температуру 25—30°С, поэтому он не пригоден для использования в технологических процессах на пред­приятиях.» Во многих производствах требуется пар, име­ющий давление 0,5—0,9 МПа, а иногда и до 2 МПа длят приведения в движение прессов, паровых молотов, тур­бин. Иногда требуется горячая вода, нагретая до темпе­ратуры 70—150°С.

Для получения пара с необходимыми для потребите­лей параметрами используют специальные турбины с промежуточными отборами пара. В таких турбинах, по­сле того как часть энергии пара израсходуется на при­ведение в движение турбины и параметры его понизят­ся, производится отбор некоторой доли пара для потре­бителей. Оставшаяся доля пара далее обычным способом используется в турбине и затем поступает в конденсатор. Поскольку для части пара перепад давления оказывает­ся меньшим, несколько возрастает расход топлива на выработку электроэнергии. Так, если при перепаде дав­ления от 9000 до 4 кПа на выработку 1 кВт-ч электро­энергии требуется 4 кг пара, то при увеличении давления отработанного пара до 120 кПа необходимое количество пара составляет 5,5 кг. Однако такое увеличение расхода пара на выработку электроэнергии на ТЭЦ и связанное с этим увеличение расхода топлива в конечном счете ока­зываются меньшими по сравнению с расходом топлива в случае раз­дельной выработки электроэнергии и выра­ботки,теплоты на не­больших котельных ус­тановках.

Благодаря более полному использова­нию тепловой энергии КПД ТЭЦ достигает 60-65%, а КПД КЭС —не более 40%. На рис. 2.13 приведен примерный тепловой баланс ТЭЦ.

Горячая вода и пар под давлением, дости­гающем в отдельных случаях 3 МПа, доставляются потребителям по трубо­проводам. Совокупность трубопроводов, предназначен­ных для передачи теплоты, называется тепловой сетью. Экономия топлива связана с совершенствованием теп­ловой изоляции, поэтому повышение ее качества отно­сится к одной из важнейших задач теплофикации.

Эффективность работы системы теплоснабжения во многом зависит от рационального размещения ТЭЦ, которые стремятся по возможности приблизить к крупным потребителям теплоты и электрической энергии, так как передача теплоты в виде пара неэкономична на расстояниях свыше 5—7 км. На решение вопроса о целесо­образных местах расположения ТЭЦ в последнее время значительно влияет загрязнение ими окружающей среды.

Централизованное теплоснабжение на базе комбини­рованной выработки теплоты и электрической энергии имеет большие преимущества: обеспечивает основную долю потребности в теплоте промышленного и жилищно-коммунального хозяйства, уменьшает расходование топ­ливно-энергетических ресурсов, а также материальных, и трудовых затрат в системах теплоснабжения.

Однако при максимальной централизации теплоснаб­жения на ТЭЦ можно выработать только 25—30% требу­емой электроэнергии. Работа же конденсационных стан­ций определяется только условиями выработки электро­энергии, что делает весьма благоприятными концентра­цию больших электрических мощностей и позволяет быстро наращивать электроэнергетический потенциал страны. Поэтому в настоящее время и в будущем будут строиться конденсационные станции, несмотря на те преимущества, которые имеет выработка электроэнергии -на ТЭЦ. Развитию теплофикации в СССР придается большое значение. Так, уже в начале девятой пятилетки установленная электрическая мощность теплофикацион­ных агрегатов превысила 45 млн. кВт, что составило око­ло ⅓ установленной мощности всех ТЭС страны, работа­ющих на органическом топливе.

 

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ

На отечественных ТЭС начинают широко использо­вать газотурбинные установки (ГТУ). В качестве рабо­чего тела в них используется смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. В ГТУ преобразуется теплота газов в кинетическую энергию вращения ротора турбины.

По конструктивному исполнению и принципу преобра­зования энергии газовые турбины не отличаются от па­ровых. Экономичность работы газовых турбин примерно такая же, как и двигателей внутреннего сгорания, а при очень высоких температурах рабочего газа экономичность газовых турбин выше. Кроме того, газовые турбины более компактны, чем паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания аналогичной мощности.

Особенно широкое распространение газовые турбины получили на транспорте. Применение газовых турбин в качестве основных элементов авиационных двигателей позволило в современной авиации достичь больших ско­ростей, грузоподъемности и высоты полета. Газотурболокомотивы на железнодорожном транспорте конкурен­тоспособны с тепловозами, оборудованными поршневы­ми двигателями внутреннего сгорания.

Современные газовые турбины в основном работают на жидком топливе, однако кроме жидкого топлива мо­жет использоваться газообразное: как естественный при­родный горючий газ, так и искусственный газ, получа­емый особым сжиганием твердых топлив любых видов.

Представляет практический интерес перспектива сжигания угля в места его залегания. При этом под землю компрессорами в необходимом количестве подает­ся воздух, производится специальное сжигание угля с об­разованием горючего газа, который затем подается по трубам к газотурбинным установкам. Впервые в мире такая опытная электростанция построена в Тульской об­ласти.

(Работа газотурбинной установки осуществляется сле­дующим образом. В камеру сгорания / подается жидкое или газообразное топливо и воздух (рис. 2.14, с). Полу­чающиеся в камере сгорания газы 2 с высокой темпера­турой и под большим дав­лением направляются на рабочие лопатки турби­ны 3. Турбина вращает электрический генератор 4 и компрессор 5, необхо­димый для подачи под давлением воздуха 6 в ка­меру сгорания. Сжатый в компрессоре воздух пе­ред подачей в камеру сго­рания подогревается в регенераторе 7 отработанными в турбине горючими газами 8. Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания топлива в камере сгорания.

 

 

ПАРОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ

Отработанные в ГТУ газы имеют высокую температу­ру, что неблагоприятно сказывается на КПД термодина­мического цикла. Совмещение газо- и паротурбинных агрегатов таким образом, что в них происходит совмест­ное использование теплоты, получаемой при сжигании топлива, позволяет на 8—10% повысить экономичность работы установки, называемой парогазовой, и снизить ее стоимость на 25%.

Парогазовые установки, использующие два вида ра­бочего тела - пар и газ - относятся к бинарным. В них часть теплоты, получаемой при сжигания топлива в парогенераторе, расходуется на образование пара, который затем направляется в турбину (рис. 2.15), Охлажденные до температуры 650—700°С газы попадают на рабочие лопатки газовой турбины. Отработанные в турбине газы используются для подогрева питательной воды, что по­зволяет уменьшить расход топлива и повысить КПД всей установки, который может достичь примерно 44%,

Парогазовые установки могут работать также по схеме, в которой отработанные в газовой турбине га5ы по­ступают в паровой/котел (рис. 216 — обозначения те же, что и на рис. 2.15). Газовая турбина в этом случае слу­жит как бы частью паросиловой установки. В камере сгорания газотурбинной установки сжигается 30—40% топлива, а в парогенераторе — остальное топливо.

Газотурбинные установки могут работать только на, жидком или газообразном топливе, так как продукты сгорания твердого топлива, содержащие золу и механи­ческие примеси, оказывают вредное влияние на лопатки газовой турбины. В газотурбинных установках, так же как и в обычных паросиловых установках, тепловая энер­гия преобразуется в механическую в турбинах и механи­ческая энергия — в электрическую в генераторах. Эта схема электромеханического преобразования энергии требует использования материалов, способных выдержи­вать большие механические нагрузки при больших часто­тах вращения вала турбины и высоких температурах. Ограниченная прочность материалов вынуждает исполь­зовать пар при температурах не выше 600°С, в то время как температура сжигаемого топлива достигает 2000°С. Сокращение разницы этих температур позволит суще­ственно повысить КПД тепловых установок.

 

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамикеских генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности практической реализации такого рода пре­образования энергии в широких промышленных масшта­бах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую позволяет существенно повысить эффек­тивность использования топливных ресурсов.

Для современной электроэнергетики большое значе­ние имеет открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. При этом проводник может быть твердым, жидким или газо­образным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостя­ми или газами, называется магнитогидродинамикой.

Еще Кельвин показал, что движение в устье реки соленой воды в магнитном поле Земли вызывает появ­ление ЭДС. Схема такого МГД-генёратора Кельвина по­казана на рис. 3

магнитной индукции сила тока в проводниках 1, присое­диненных к пластинам 2, опущенным в воду вдоль бере­гов реки, пропорциональна индукции магнитного поля. Земли и скорости течения соленой морской воды в реке. При изменении направления течения воды в реке изменялось также и направление электрического тока в про­водниках между пластинами.

Принципиальная схема действия современного МГД-генератора (рис. 3.2) мало отличается от приведенной на рис. 3.1. В рассматриваемой схеме между металличе­скими пластинам, расположенными в сильном магнит­ном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного дви­жения частиц. При этом в соответствии с законом элек­тромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа — плазмы — тормозится под дей­ствием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнит­ного потока, Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и про­исходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.

Если какой-либо газ нагреть до высокой температу­ры (я*3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование теп­ловой энергии в электрическую.

МГД-генератор с паросиловой установ­кой. Принципиальная схема МГД-генератора с пароси­ловой установкой показана на рис. 3.3. В камере сгора­ния сжигается органическое топливо, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД-

генератора. Сильное магнит­ное поле создается мощными электромагнитами. Темпера­тура газа в канале генерато­ра должна быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания 2500—2800°С. Необходи­мость ограничения мини­мальной температуры газов, покидающих МГД-генерато-ры, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что у них практиче­ски исчезает магнитогидро-динамическое взаимодейст­вие с магнитным полем.

Теплота отработанных в МГД-генераторах газов вна­чале используется для подо­грева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и, следовательно, повышения эффективности процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его пара­метров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температу­рах, не превышающих 800°С, поэтому при охлаждении газов часть теплоты теряется.

На рис. 3.4 (см. форзац II) схематически показаны основные элементы МГД-электростанции с паросиловой установкой и их взаимосвязи.

Трудности в создании МГД-генераторов состоят в по­лучении материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъяв­ляют высокие требования, так как они должны длитель­но работать в агрессивных средах при высоких темпера­турах (2500—2800°С). Для нужд ракетной техники соз­даны материала, ^способные работать в таких условиях, однако они могут работать непродолжительное время -^ в течение минут. Продолжительность работы промыш­ленных энергетических установок должна исчисляться, по крайней мере, месяцами.

Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электриче­ской лампе при температуре 2500—2700°С может рабо­тать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкци­онных материалов. В настоящее время созданы материа­лы, которые могут работать длительно при температуре 2200—2500^СС (графит, окись магния и др-К однако они не способны противостоять механическим напряжениям.

Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора пока не решена. Ве­дутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500^РС. Разработан проект МГД-генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно цирку­лирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить про­пусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможно­сти наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие мате­риалы.

МГД-генераторы с ядерными реактора-м н. Перспективны МГД-генераторы с ядерными реак­торами, используемыми для нагреваний газов и их тер­мической ионизации. Предполагаемая схема такой уста­новки показана на рис. 3.5.

Трудности создания МГД-генератора с ядерным ре­актором состоят в том, что современные тепловыделя­ющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью

магния, допускают темпе­ратуру, не намного пре­вышающую 600°С, в то время как для ионизации газов необходима темпе­ратура, равная примерно 2000°С.

Первые опытные кон­струкции, МГД-генерато-ров имеют пока высокую стоимость. В будущем можно ожидать сущест­венного снижения их стои­мости, что позволит ус­пешно использовать МГД-генераторы для покрытия пи­ков нагрузки в энергосистемах, т. е. в режимах относи­тельно непродолжительной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения и МГД-генераторы могут использоваться и без паросиловой пристройки.

В настоящее время в СССР сооружены мощные опытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования по совершен­ствованию их конструкции и созданию эффективных МГД-электростанций, конкурентоспособных с обычны­ми электростанциями.

 

ВЕТРОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Человек начал использовать энергию ветра еще до то­го, как научился «укрощать» реки. Энергия ветра отличается своей доступностью и дешевизной. Ее годовые потенциальные запасы на Земле огромны. Они в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек земного шара и составляют, таким обра­зом, около 3300-10¹² кВт-ч. Правда, считается возможным прак­тически использовать лишь 10—20 % этих запасов. Но и это много. В некоторых районах Земли энергетический потенциал ветровой энергии соизмерим с энергией солнечного излучения.

СССР также обладает большими потенциальными запасами энергии ветра, равными в мощностном эквиваленте примерно 11-10⁹ кВт, что в 40 раз больше установленной мощности всех электростанций страны на начало 1981 г.

Принцип использования ветровой энергии прост, широко из­вестен и не нуждается в пояснении. Отметим, однако, что ветро­вой поток, воспринимаемый ветровым колесом, определяется лишь его диаметром и не зависит от числа лопастей.

Установлено, что мощность воздушного потока N_B._n, кВт, про­ходящего через сечение площадью F, перпендикулярное направ­лению этого потока, выражается формулой

N_вп=0,0049pv³F, (8.1)

где v—скорость воздушного потоки, m^j/c; F — площадь сечения, м²; р — плотность воздуха, зависящая от его температуры и ат­мосферного давления, кг/м³.

Мощность, развиваемая ветроэнергетической ус­тановкой (ВЭУ), отличается от мощности, развиваемой воз­душным потоком, потерями, связанными с преобразованием ме­ханической энергии в электрическую (в редукторе и генераторе), а также потерями энергии ветрового потока в процессе взаимо­действия его с лопастями ветрового колеса. Последние определяются так называемым коэффициентом исполь­зования энергии ветра. Выражая площадь F в (8.1) через диаметр ветрового колеса D, м, получаем мощность ветро­энергетической установки, кВт:

ЛГ_вэу = 0,00386pvD²ξη_pη_r, (8.2)

где η_p и η_r — к. п. д. соответственно редуктора и генератора.

Будем называть ветровой электростанцией (ВЭС) совокупность нескольких ВЭУ.

Подсчитано, что коэффициент использования энергии ветра для крыльчатых ветродвигателей доходит до 0,48, а общий к. п. д. ветроустановки имеет несколько меньшее значение. Од­нако неравномерность скорости ветра, неопределенность времени возникновения и продолжительности его, пространственная рассредоточенность ветровой энергии долгое время не позволяли широко использовать ее в системной энергетике. В условиях энергетического кризиса в ряде стран в последнее время рассмат­ривается ветроэнергия с новых энергоэкономических позиций, в частности с позиций возможности получения дополнительной вы­работки электроэнергии и соответствующей экономии органичес­кого топлива.

Для устранения влияния непостоянства ветровой энергии мно­го усилий направляется на изыскание способов ее резервирова­ния, в частности использование аккумулирования. В последнее время предложено множество разнообразных аккумуляторов энергии, в том числе устройств для электролиза воды. Получае­мые кислород и водород хранятся под давлением в изолирован­ных резервуарах и при необходимости могут быть использованы (например, в топливных элементах).

Известны также механические, пневматические, электрохи­мические, тепловые, гидравлические и другие аккумуляторы. Все чаще обсуждаются в печати заманчивые перспективы совместной работы ВЭС и ГАЭС.

Следует сказать, что аккумулирование энергии, видимо, в бли­жайшее время не сможет снять все недостатки ВЭС, связанные с непостоянством ветровой энергии, и работа таких электростан­ций в энергосистеме будет иметь ограничения. Поэтому ведутся исследования, направленные па дальнейшее совершенствование аэродинамических, механических и электрических характеристик отдельных ветроэнергетических установок для работы их в сос­таве ВЭС в энергетической системе. Однако последняя не всегда заинтересована в получении от ВЭС мощности и электроэнергии. Так, в ночное время (см. § 3.5) современные энергосистемы смо­гут использовать ВЭС, очевидно, лишь в том случае, если это не повлечет за собой недопустимого снижения нагрузки на ТЭС. Вместе с тем это не исключает возможность работы ВЭС в ноч­ное время на потребителей, функционирующих в режиме акку­муляторов энергии.

Заслуживает внимания и работа ВЭС в энергосистеме по свободному графику. В этом случае энергетическая сис­тема будет играть роль демпфирующего аккумуля­тора в пределах возможности временного снижения ее нагру­зочного резерва (см. § 8.4). Работая в таком режиме, ВЭС позволяет или экономить топливо в системе (за счет соответст­вующего снижения нагрузки ТЭС), или получать дополнитель­ную выработку электроэнергии.

В результате проведенных исследований по оптимизации про­филя лопастей ВЭУ удалось повысить выработку электроэнергии ветрового колеса примерно в 2 раза по сравнению с «ветряками» 60-х годов. В настоящее время при аэродинамически совершен­ных ВЭУ фронт ветра площадью 2,6-10⁶ м² может обеспечить мощность 150 МВт при скорости-ветра не менее 6—8 км/ч. Од­нако при создании современных ВЭС пока еще повсеместно ори­ентируются на небольшие единичные мощности агрегата (0,2—3 МВт).

При сооружении мощных ВЭС (несколько сотен меговатт), предназначенных для работы в энергетических системах, прихо­дится учитывать ряд особенностей, вытекающих из специфики работы ветрового колеса отдельно взятой ВЭУ. К числу их сле­дует отнести, прежде всего, размещение ветроэнергетических установок по территории ВЭС. Дело в том, что ветровые колеса ВЭУ оказывают взаимовлияние на формирование воздушных потоков всей ВЭС, создавая взаимопомехи, приводящие к поте­рям энергии. Поэтому размещение ВЭУ должно производиться при условии минимума взаимовлияния ВЭУ при любых возмож­ных направлениях ветра и с учетом возможно меньшей отчуж­даемой ими территории. Учет этих противоречивых требований вызывает некоторые затруднения.

В настоящее время не ясен вопрос об экономической эффек­тивности системной ветроэнергетики, но не вызывает сомнений, что эта эффективность со временем, по мере повышения цен на топливо, будет расти. Сейчас ВЭС конкурентоспособны лишь с небольшими дизельными и тепловыми электростанциями, рабо­тающими на привозном топливе.

Ветровые электростанции не производят никаких вредных выбросов в окружающую среду, и в этом отношении ветроэнер­гетика экологически абсолютно «чиста». Однако негативное влияние ВЭС на окружающую среду все же проявляется. Речь идет, прежде всего, о том, что<для сооружения ВЭС необходимо отводить определенные территории, измеряемые для мощных ВЭС десятками квадратных километров, которые не только из­менят свой ландшафт, но и в ряде случаев станут непригодными для других целей. Шумовой эффект, создаваемый ВЭС, может существенно повлиять на фауну прилегающей территории. Мощ­ное вращающееся ветровое колесо создает экранирующее дейст­вие, аналогичное тому, которое оказывает возвышенность пло­щадью несколько десятков квадратных километров и высотой 150—200 м. При работе ВЭС возникают помехи для приема те­левизионных и радиопередач Есть и другие формы воздействия ВЭС на окружающую среду.

Несмотря на недостатки ветроэнергетики, перспективы ис­пользования ВЭС в ряде развивающихся и промышленно разви­тых стран оцениваются довольно высоко. Так, до данным докла­да Шведского института метеорологии и гидрологии к 1990 г. с помощью ВЭС будет вырабатываться около 20 % всей электро­энергии страны (по другим данным—10%). Исследуется возможность использования энер­гии ветра при мощности ВЭС до 400 МВт.

По данным американских исследований энергетический потенциал ветров над конти­нентальной частью и побережь­ем США в 10 раз превышает прогнозные потребности США в электроэнергии в 2000 г., т. е. если бы в США начали широ­ко использовать энергию ветра, то к 2000 г. 20 % потребности США в электроэнергии можно было покрыть за счет ВЭС.

В США в настоящее время исследования в области ветро­энергетики проводятся в рам­ках национальной программы. Их целью является разработка и сооружение опытных образ­цов трех типов быстроходных ВЭУ с ветровыми колесами диаметром 38, 60 и 90 м. В пер­вом случае ВЭУ развивают мощность 100—200 кВт, во втором—500—2000 кВт и в третьем —2500—3000 кВт. В настоящее время построено и находится в опытной эксплуатации несколько ветроэнергетичеких установок мощностью от 100 до 2500 кВт. Продолжаются исследования по определению технико-экономических показате­лей при работе ВЭС большой мощности в энергетических си­стемах.

В США разработан принципиально новый тип ВЭС, позво­ливший значительно увеличить установленную мощность агре­гата. Ветродвигатель состоит из цилиндрической полой башни (рис. 8.11), в стенках которой имеются вертикальные щели, снабженные створками (жалюзи). Открытая сверху башня име­ет полое конусное основание с проемами на его боковых стенках для входа воздуха. В горловине основания размещается воздуш­ная турбина, вал которой через маховик и муфту соединяется с вертикальным валом генератора.

Принцип действия такого агрегата сводится к следующему. Воздушный поток, поступая внутрь башни через открытые с наветренной стороны створки в тангенциальном направлении, обтекает цилиндрические стенки башни, в которых жалюзи за­крыты, и, приобретая круговое спиральное движение, завихряется. При этом окружная скорость слоев по мере приближения к выходу из башни все время увеличивается вследствие умень­шения радиуса вращения. В результате этого внутри башни образуется вихрь, в центре которого создается область понижен­ного давления — «стержень». Наружный воздух через проемы на боковых стенках конусного основания под действием избыточ­ного давления устремляется в основание «стержня» и, переме­щаясь вверх, вращает лопасти воздушной турбины, а следова­тельно, и вал генератора.

Такой вихревой ветродвигатель может работать при слабом ветре и даже при его отсутствии. В этом случае достаточно иметь перепад температур на дне и в верхней части башни не менее 10° С. Для подогрева воздуха в основании башни устанавлива­ется подогревательная камера, в которой используется, напри­мер, теплая вода конденсаторов ТЭС, солнечная энергия и т. п. Подобный ветровой двигатель может обеспечить значитель­ную единичную мощность и противостоять разрушительным воз­действиям ураганных ветров (при открытых створках ветер, про­дувая башню насквозь, не оказывает давления на ее стенки).

Широкий интерес к ветроэнергетике наблюдается в ФРГ, Японии, Австралии, Дании, Нидерландах и многих других стра­нах. Во многих проектах ВЭС предусмотрены различные сред­ства аккумуляции энергии для обеспечения бесперебойной пода­чи энергии при недостаточной скорости ветра, что удорожает установку. Себестоимость получаемой электроэнергии пока еще выше, чем в среднем на ТЭС и тем более на ГЭС. В настоящее время разрабатываются новые типы ВЭУ мощностью в десятки и сотни мегаватт.

В Советском Союзе ветроэнергетика начала развиваться в 20-е годы, когда в ЦАГИ был организован отдел ветродвигате­лей. Еще до Великой Отечественной войны были сконструирова­ны разнообразные ветросиловые установки. В 1931 г. в Крыму была построена опытная ВЭС мощностью 100 кВт. Но во время войны станция была разрушена. В 1938 г. на вершине Аи-Петри было начато строительство ВЭС мощностью 5 МВт, но война не дала возможности завершить ее строительство.

В настоящее время в Советском Союзе ведутся интенсивные работы по созданию ВЭУ различного назначения. Разработано более 10 типов ветродвигателей малой мощности, используемых, главным образом, в сельском хозяйстве. Строятся ВЭС мощ­ностью от 400 до 1250 кВт. Одна из таких электростанций по­строена, например, и колхозе «Авангард» близ Целинограда.

Имеется предложение о размещении ВЭС на бычках плотин ГЭС. Свободные площади позволяют установить на них фермы с ветровым колесом диаметром около 30 м. На высоте несколь­ких десятков метров (высота плотины плюс, по крайней мере, полтора размера диаметра колеса), а то и нескольких сотен метров (Нурекская, Братская, Саяно-Шушенская, Токтогульекая, Ингурская ГЭС и др.) всегда дуют достаточно интенсивные ветры. Расчеты показывают, что можно получить дополнитель­ную мощность в десятки мегаватт. Правда, есть и трудности, вызываемые взаимовлиянием ВЭУ, снижающим их энергетичес­кую эффективность, и особенно тогда, когда направление ветра совпадает с осью плотины или близко к ней.

Хотя система получит в общем незначительную дополнитель­ную мощность, ню эта мощность может быть направлена на ак­кумулирование гидроэнергии, использование которой, конечно, будет более эффективным, чем ветровой.

 

 

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Солнце — источник жизни на нашей планете и основ­ной источник всех видов получаемой на ней энергии. В настоящее время большое внимание уделяется прямо­му использованию солнечной энергии. Заманчиво созда­ние солнечных элементов для превращения энергии сол­нечной радиации в электрическую. В солнечных элемен­тах используется явление фотоэффекта, т. е. вырывание электронов из тела под действием света.

Фотоэффект открыт Герцем в 1887 г. и детально ис­следован А. Г. Столетовым в 1888 г. Несмотря на то что фотоэффект известен давно, природа его пока полностью не изучена. Практическое использование фотоэффекта для получения электроэнергии стало возможным в пос­леднее время в связи с применением полупроводников.

При соприкосновении полупроводников, имеющих электронную (n-типа) и дырочную (р-типа) проводимо­сти, на границе образуется контактная разность потен­циалов вследствие диффузии электронов. Если полупро­водник с дырочной проводимостью освещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят на полу­проводник с электронной проводимостью. В Замкнутой ~ цепи при этом образуется электрический ток.

В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы, на которые действуют как направленные, так и рассеянные солнечные лучи. Кремниевые фотоэле­менты могут одинаково успешно работать зимой и летом. Зимой снижение светового потока компенсируется увеличением КПД за счет понижения температуры. КПД кремниевых фотоэлементов достигает примерно 15%.

Из-за сложной технологии изготовления полупровод­ников и их большой стоимости кремниевые фотоэлемен­ты применяются пока на уникальных установках, напри­мер на спутниках Земли. В будущем можно ожидать более широкое применение фотоэлектрических генерато­ров, преобразующих большие потоки энергии солнечной радиации.

Солнечная энергия может быть использована также в фотоэлектрических процессах, протекающих подобно естественному фотосинтезу органических веществ. Прак­тическое освоение таких процессов позволило бы полу­чать необходимую человечеству энергию и решить акту­альную проблему истощения запасов органического топлива.

Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (примерно 0,15 МВт-ч на 1 м² поверхности в год), в современных условиях затруднительно использо­вать из-за низкой плотности солнечной радиации и ее зависимости от состояния атмосферы (облачности) и вре­мен» года. Возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках Земли. В этом случае солнеч­ная энергия будет аккумулироваться в течение 24 ч, а следовательно, эффективность работы станции не будет зависеть от облачного покрова. Передача энергии на Землю должна осуществляться по каналу УКВ. Принци­пиальная схема солнечной станции на искусственном спутнике и ее общий вид представлены на рис. 3.16, а, б. Размеры спутника-коллектора солнечной энергии (рис. 3,16, а) могут быть различны (от 20 до 100 км²) в зави­симости от мощности станции.

Энергия от солнечных элементов космической стан­ции должна передаваться на Землю с помощью антенны в виде достаточно узкого пучка УКВ-волн (длина волны «10 см). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, который затем должен будет преобразовываться в энергию промышленной частоты.

Ожидается, что весь процесс будет характеризовать­ся достаточно высоким КПД. В настоящее время КПД преобразования энергии солнечными элементами на мо­нокристаллах составляет 11%. Предполагается, что путем усовершенствования кремниевых элементов мо­жет быть достигнут КПД, равный 20%.

Расчетные значения КПД преобразования энергии на космических станциях приведены в табл. 3.3

 

Производство и передача электроэнергии солнечной электростанцией	КПД
Достигнутые в настоящее время	Ожидаемые при существующей технологии	Ожидаемые за счет дальнейших разработок
Генерация УКВ-потока энергии Передача энергии с выхода генератора до створа антенны Улавливание и детектирование	76,7   94,0 64,0	85,0   94,0 75,0	90,0   95,0 90,0
Общий КПД	26,5	60,0	77,0

 

Космические солнечные станции могут быть спроекти­рованы на полезную электрическую мощность 3^-20 ГВт и более. Размер солнечной батареи станции с полезной выходной мощностью 5 ГВт можно оценить исходя из КПД, равного 15%. Соответствующая такой станции суммарная поверхность солнечной батареи равна 20 км². При этом передающая антенна должна иметь диаметр 1 км, приемная антенна — диаметр 7—10 км. Плотность пучка УКВ-волн со станции на Землю в этом случае составит всего 'Д нормальной плотности солнечной энергии, поэтому он не должен представлять опасности ни для летательных средств, ни для птиц. Вопрос, свя­занный с радиопомехами, не должен стать серьезной проблемой. Технические проблемы состоят только в улуч­шении достигнутой технологии и совсем не требуют раз­работки принципиально новых решений.