КПД энергетических установок, тепловых машин

И преобразователей энергии

Наименование

КПД, %

достигнутый возможный

Тепловые электростанции:

ппппаротурбинные 40 … 42 43 … 45

пппс МГД_генераторами 36 … 40 55 … 60

пппс термоэмиссионными модулями 41 … 45 48 … 52

пппс газотурбинными установками 24 … 30 32 … 36

пппс парогазовыми установками 42 … 46 45 … 50

Теплоэлектроцентрали 66 … 70 72 … 77

Атомные электростанции 30 … 36 40 … 41

Двигатели внутреннего сгорания:

ппптихоходные дизели 32 … 39 35 … 41

пппбыстроходные дизели 32 … 41 36 … 43

пппдизели с наддувом 42 … 45 48 … 50

пппкарбюраторные двигатели 25 … 30 28 … 32

Газотурбинные установки 31 … 37 38 … 40

Установки прямого преобразования

энергии:

пппМГД_генераторы 32 … 38 50 … 55

ппптопливные элементы 60 … 70 80 … 85

ппптермоэлектрические генераторы 20 … 25 30 … 35

ппптермоэмиссионные преобразователи 17 … 20 30 … 35

пппфотоэлектрические преобразователи 10 … 15 20 … 25

__

Продукты сгорания из камеры попадают в разгонное сопло. По

выходе из него газ попадает в МГД_канал, в котором происхо_

дит отвод генерируемой электрической энергии. КПД преобра_

зования энергии пока составляет несколько процентов [13].

Электрохимические генераторы. Это устройства, преобра_

зующие химическую энергию непосредственно в электричес_

кую. Первые электрохимические генераторы назывались галь_

ваническими элементами [13].

Топливные элементы (ТЭ). В ТЭ электрический ток гене_

рируется за счет регулируемого «электрохимического сжигания»

топлива. Реакция происходит в системе топливо—электролит—

окислитель. ТЭ — электрохимический элемент, отличающийся

тем, что активные вещества подаются извне, а материал элект_

родов в электрохимических превращениях не расходуется.

Достоинствами ТЭ являются высокий КПД (около 60 %), от_

сутствие подвижных частей, бесшумность, отсутствие выделе_

ния теплоты с отработавшими продуктами (H2О и CO2), способ_

ность работать при комнатных температурах.

К недостаткам ТЭ относятся их ограниченный срок службы,

относительно высокая стоимость газообразного топлива и по_

лучаемой электроэнергии (2000 долл./(кВт · ч)) [12].

Заключим обзор преобразователей энергии сводными данны_

ми [7] об их КПД (табл. 1.3).

Аккумулирование энергии и аккумуляторы

Аккумулирование энергии. Значение аккумулирования

энергии для электроэнергетики постоянно возрастает. Суще_

ствующие проблемы, например связанные с неравномерностью

потребления электроэнергии в течение суток, удалось бы разре_

шить при наличии недорогого электрического аккумулятора

большой емкости с достаточно высоким КПД.

Предоставление автомобильному транспорту малогабаритно_

го и легкого электрического аккумулятора большой емкости с

высоким КПД способствовало бы применению электромоби_

лей, значительному снижению загрязнения воздуха и потребно_

сти в нефтяном топливе.

Рассмотрим некоторые способы аккумулирования энергии.

Аккумулирование энергии на гидроаккумулирующих

электростанциях (ГАЭС). Это емкие аккумуляторы энергии.

Когда снижается потребность в электроэнергии, ее излишек ис_

пользуется для перекачки воды из нижнего резервуара в верх_

ний, т. е. избыточная электрическая энергия превращается в по_

тенциальную механическую. При повышенном спросе на элек_

троэнергию осуществляется перепуск воды из верхнего резерву_

ара в нижний, и гидротурбогенераторы направляют энергию в

__

сеть. Самая мощная (1872 МВт) ГАЭС возведена в США. ГАЭС

вырабатывают там 2% всей электроэнергии страны [13].

Аккумулирование энергии в сжатых газах. Излишняя

электроэнергия применяется для нагнетания воздуха под давле_

нием в подземную полость_хранилище. Когда запасенную энер_

гию нужно использовать, сжатый воздух направляется в газотур_

бинную установку, вырабатывающую электроэнергию. Общий

КПД такого способа аккумулирования энергии 70 % [13].

Аккумулирование энергии с помощью маховиков. Акку_

мулятор представляет собой маховик, раскручиваемый до высо_

кой частоты вращения. Этот способ аккумулирования имеет ряд

достоинств: высокий КПД (до 90 %), бесшумность, отсутствие

загрязнений и быстрота зарядки, однако с ростом частоты вра_

щения маховика возможен его разрыв.

Данный принцип аккумулирования энергии удобен для реа_

лизации на автомобильном транспорте. Применение маховико_

вых накопителей способствует повышению экономичности ав_

тотранспортных средств (АТС) благодаря возможности исполь_

зования аккумулированной энергии в нужный момент, особен_

но при движении АТС с частыми остановками и разгоном, ког_

да необходимо выводить двигатель из зон его работы с низким

КПД. Маховиковой накопитель позволяет осуществлять рекупе_

ративное торможение, повышая КПД автомобиля. Этот накопи_

тель энергии наиболее эффективен в сочетании с бесступенча_

той трансмиссией.

Электрические системы аккумулирования энергии. Про_

стейшим аккумулятором является конденсатор, обеспечиваю_

щий значительную нагрузку в течение нескольких микросекунд,

например, в системе зажигания ДВС.

Что касается электрохимических аккумуляторов, то при их

зарядке электрическая энергия преобразуется в химическую, а

при разрядке происходит обратный процесс.

Основным недостатком существующих электрохимических

аккумуляторов является низкое значение удельной (на 1 кг мас_

сы аккумулятора) запасаемой энергии. Если попытаться создать

из современных материалов мощный аккумулятор для приведе_

ния в движение автомобиля с запасом хода в сотни километров,

то масса аккумулятора будет соизмерима с массой перевозимо_

го груза.

Свинцово_кислотный аккумулятор обладает удельной энер_

гией немногим более 100 кДж/кг, дорогостоящий серебряно_

кадмиевый — около 400 кДж/кг. Поэтому АТС с электрохими_

ческими аккумуляторами находят пока ограниченное примене_

ние. Из перспективных разработок, направленных на обеспече_

ние большой удельной энергоемкости, быстрой зарядки и воз_

можности глубокой разрядки, известны железоникелевые, хлор_

_

но_цинковые, натрий_серные, алюминий_воздушные варианты

аккумуляторов.

Тепловые аккумуляторы используют энергию Солнца: днем

запасают теплоту, а ночью отдают ее. Они подразделяются на

две группы:

_ накапливающие теплоту путем нагревания рабочего тела

(вода, щебень);

_ запасающие теплоту в результате перехода рабочего тела

(соли) из одного агрегатного состояния в другое (при этом тем_

пература тела изменяется незначительно).

Передача теплоты потребителю от аккумуляторов первой

группы происходит при охлаждении рабочего тела, а от акку_

муляторов второй группы — при возвращении тела в исходное

агрегатное состояние.

Энергетика

Процесс энергообеспечения экономики и общества.

Энергоресурсы, энергоносители, энергия являются сырьем,

продуктами энергетического комплекса. Процессы воспроиз_

водства, доставки, преобразования, распределения, передачи и

конечного потребления энергоресурсов представляют собой

стадии единого процесса энергообеспечения общества.

В о с п р о и з в о д с т в о п е р в и ч н ы х э н е р г о р е с у р _

с о в. Эта стадия начинается с разведки запасов. Результатом

разведки является прирост запасов энергоресурсов, которые

подразделяются на категории в зависимости от их изученности

и подготовленности к эксплуатации: А — детально разведанные

и подготовленные; В — геологически обоснованные и относи_

тельно подготовленные; С — предполагаемые и слабо разведан_

ные; D — предполагаемые исходя из геологической изученно_

сти местности. Эти категории, вместе взятые, составляют дос_

товерные запасы.

Выделяют также прогнозные запасы. Сумма достоверных и

прогнозных запасов представляет собой общегеологические за_

пасы. Та их часть, которая может быть использована для разра_

ботки в настоящее время, называется балансовыми запасами

[21].

Стадия воспроизводства включает в себя добычу минераль_

ного топлива и привлечение нетопливных энергоресурсов: гид_

ро_, ветроэнергии и др.

До с т а в к а э н е р го р е с у р с о в к у с т а н о в к а м, п р е _

о б р а зу ю щ и м э н е р г ию. Доставка осуществляется с помо_

щью транспортных магистралей: железных дорог, трубопроводов,

водных путей и др._