Нетрадиционная гидроэнергетика.

Мировой океанпредставляет собой огромный резервуар во­зобновляемых энергетических ресурсов (ВЭР). В настоящее время развитие океанской энергетики связано с использованием: энергии морских волн (приливные, ветровые, зыбь) и течений; градиентов температур и солености морской воды.

В соответствии с практическим интересом использование вол­новой энергии океана связано с созданием волновых ЭС (ВолЭС), приливных ЭС (ПЭС), электростанций морских течений (ЭСМТ).

Отдельное направление составляют энергоустановки: океанские тепловые ЭС (ОТЭС), использующие температурный градиент; гидротермальные ЭЦ, использующие разницу температур между водой океана и воздуха в Северных районах.

Суммарная мощность приливов оценивается в 3·10¹² Вт (за год 10²⁰ Дж), что сравнимо с годовым потреблением энергии населением Земли.

По оценкам экспертов сейчас в мире насчитывается 5 мест наиболее благоприятных для строительства ПЭС:

– два смежных залива в Канаде (Фанди) и в США Пассамакуоди);

– Французское побережье вдоль Ла-Манша и устье реки Ране;

– устья (эстуарии) рек Англии, впадающих в Ирландское море;

– побережье Кимберли в Австралии;

– побережье Белого моря в России.

В случае полного освоения этих пяти зон и при 20% извлечения энергии приливов на ПЭС можно получить 30 тыс. МВт, т. е. примерно мощность 10 современных крупных АЭС. Этого достаточно для местного энергоснабжения.

По оценкам экспертов строительство Тургутской и Пенжинской ПЭС будет возможно после 2020 г. Основное препятствие к строительству ПЭС – низкие экономические показатели.

Энергия, выделяемая при волновом движении масс воды в океане, очень велика. Среднее количество энергии, которое можно получить от волны высотой 3 м, составляет около 90 кВт на 1 м побережья. Однако практическая реализация этой энергии весьма затруднительна. В настоящее время запатентован ряд технических решений, позволяющий с определенной эффективностью решать эту проблему.

В недавнем прошлом определенный интерес вызывала идея использования морских течений для выработки электроэнергии. В США был разработан проект установки (в районах относи­тельно сильных течений) турбины с диаметром рабочего колеса 170 м и длиной ротора 70 м. Однако в дальнейшем, по мере выявления трудностей реализации проекта, работы были остановлены.

Не нашли достаточного практического воплощения и реализации выработки электроэнергии на океанских ГЭС. Эти исследования проводятся в ряде стран (США и Япония) в течение более 15 лет и направлены на создание ОТЭС, использующих разность температуры воды на поверхности океана (28–30°С) и на глубине (4–7°С).

Дополнительным видом энергии для ОТЭС является энергия, которую можно получить на основе разности соленостей воды. Потенциал этого источника оценивается в 1 млрд. кВт, соизмеримый с тепловым потенциалом океана. Совместное использование тепловой и химической энергии возможно, если температура менее соленой воды будет выше температуры более соленой.

Повышение эффективности ОТЭС возможно за счет комби­нированного использования этой энергии и солнечной энергии для нагрева рабочего тела ОТЭС (подогрев жидкости до кипения или перегрев пара перед турбиной в солнечном нагревателе).

На поверхность Земли в течение года поступает солнечная энергия (СЭ), эквивалентная энергии, заключенной в 1,2×10¹⁴ тонн у.т., что значительно превышает запасы органического топлива (6–10)¹² тонн у.т.). Ежедневно на Землю поступает около 4,2×10¹⁴ кВт·ч. электроэнергии, а всем населением Земли в 2007 г. было израсходовано (за год) – 94×10¹² кВт·ч. Поступающая к нам СЭ многократно превосходит энергетические потребности человечества, однако использование СЭ связано с определенными трудностями, что ограничивает широкомасштабную реализацию технологий. К ним относятся: малая плотность солнечного потока, непостоянство и прерывистость поступления СЭ во времени; зависимость этого потока от географического расположения приемника излучения и др.

Основное направление использования СЭ – преобразование ее в электрическую энергию и получение теплоты для отопления зданий, горячего водоснабжения, опреснения вод, сушки и других технологических целей.

Преобразование СЭ в электрическую может быть осуществлено по следующим двум принципиальным схемам:

– термодинамическим способом на обычных тепловых электро­станциях (ТЭС); эта схема ориентирована на сооружение крупных гелиоэнергетических объектов и получение электроэнергии в больших масштабах;

– на фото- или термодинамических элементах.

В настоящее время наибольшее распространение получили три типа солнечных ТЭС:

– башенного типа (БТ) с центральным приемником – парогенератором, на теплоприемной поверхности которого концентрируется солнечное излучение от плоских зеркал – гелиостатов;

– модульного типа (МТ), у которых в фокусе параболоцилинд-рических концентраторов (ПЦК) размещены вакуумированные приемники – трубы с теплоносителем (парогенераторы);

– комбинированные (КТ); это солнечно-тепловые СТЭС, в кото­рых чисто солнечная ЭС того или иного типа (БТ или МТ) объединяется с теплоэлектростанцией.

В настоящее время метод фотоэлектрического преобразования в мире стал одним из приоритетных направлений использования СЭ. Это обусловлено тем, что он обеспечивает: максимальную экологическую чистоту преобразования энергии; возможность получения энергии практически в любом районе; значительный срок службы, малые затраты на обслуживание и независимость эффективности преобразований СЭ от установленной мощности.

Фотоэлектрические источники находят применение для пита­ния потребителей в широком интервале мощностей: от минигенераторов для часов и калькуляторов мощностью несколько Вт до центральных электростанций мощностью несколько МВт.

Лет тридцать назад человечество вспомнило о ветроэнергетике. Побудил к этому разразившийся в 1970-х годах нефтяной кризис. Лидирует в этой области Германия. Немцы удачно использовали особенности климата на севере страны, где ветры, причем довольно сильные, дуют практически постоянно. Второе место занимает Испания, третье − США. Маленькая, но ветреная Дания уже к 2030 г. планирует получать половину всей необходимой стране электроэнергии с помощью ветра.

Приоритет как в развитии теоретических исследовании ветро­энергетики, так и в создании проектов ветроэнергетических станций принадлежит нашей стране. Еще в 1931 г. была сооружена в Крыму самая крупная в мире ветроэлектрическая станция (ВЭС) мощностью 100 кВт. Станция работала до 1942 г. и давала электроэнергию в сеть Севастопольэнерго напряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии на ВЭС превышала 270 МВт·ч. Во время Великой Отечественной войны она была разрушена. К этому же периоду относится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью 1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.

Заметно возрос интерес к использованию энергии ветра в XXI веке и в Российской Федерации.

В мире развитие ветроэнергетики с 80-х годов шло по трем основным направлениям:

– расширение производства ветроагрегатов (ВА) малой мощности до 25 кВт, на них приходится основной объем продаж, они используются для электроснабжения автономных потребителей, насосных и мелиоративных установок;

– расширение производства ВА средней мощности 55−500 кВт, они применяются как источники электроснабжения групп потребителей, для совместной работы с действующими энергосистемами и создания так называемых «ветровых ферм», ожидается расширение рынка потребителей этих ВА;

– создание ветроагрегатов мощностью 1 МВт и более, они выпускаются единичными экземплярами, но имеют хорошую перспективу при создании ветроэнергетических систем электроснабжения (ВЭСЭ), этому классу ВА эксперты пред­сказывают большое будущее.

В России и за рубежом накоплен значительный опыт по совершенствованию конструкции электрогенераторов для ветровых электростанций. Этот опыт должен быть использован для ветровых электростанций уже в 2008 г. при создании генераторов мощностью до 1000 кВт, способных работать с переменной частотой вращения. Внедрение таких станций обеспечит экономию топлива на ТЭС порядка 6−7% при высокой экологической чистоте.

Значительный интерес представляют источники геотермального тепла, использование вторичных энергетических ресурсов, использование низкопотенциального тепла при помощи тепловых насосов.

Перспективным является использование термоэлектрических генераторов (ТЭГ), принцип работы его основной части − термоэлемента основан на эффекте Зеебека, сущность которого состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.

В простейшем термоэлементе, замкнутая цепь, которая состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов, и спаи находятся при разных температурах, возникает электрический ток.

Достоинствами ТЭГ являются: отсутствие движущихся частей; нет необходимости в высоких давлениях; могут использоваться любые источники теплоты; большой ресурс работы.

Радиоизотопные источники энергии являются перспективными мобильными источниками электроэнергии. Естественный радиоактивный распад ядер сопровождается выделением кинетической энергии частиц и γ-квантов. Эта энергия поглощается средой, окружающей радиоактивный изотоп, и превращается в теплоту, которую можно использовать для получения ЭЭ теплоэлектрическим способом.

Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энергию с помощью термоэлементов, называются радио-изотопными термогенераторами. Они имеют КПД равный 3−5 % и срок службы − 10 лет. В наше время создается проект генератора мощностью до 10 кВт. Находят применение в космической технике, медицине.

Термоэмиссионные генераторы также имеют перспективы применения. Принцип действия таких генераторов основан на испарении (эмиссии) электронов из нагревающего проводника. Эти электроны переносятся к аноду и далее в электрическую цепь. КПД современных диодных преобразователей энергии удалось довести до 20 %.

Электрохимические генераторы напрямую преобразуют химическую энергию в электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора. Практическое применение нашли кислородно-водородные ТЭ. КПД этих генераторов достигает 60–80%.

МГД-генераторы (рис. 10.9) также представляют большой интерес для электроэнергетики. В основу принципа действия МГД-генератора лежит 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 магнитогидравликой.

Между металлическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающая кинетической энергией направленного движения частиц. В соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами и во внешней цепи.                                           

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

В камере сгорания сжигается органическое топливо, получаемые при этом продукты сгорания в плазменном состоянии и с добавлением ионизирующих 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 (с понижением температуры сильно теряются МГД-свойства газа). Трудности в создании МГД-генератора в получении материалов необходимой прочности.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию: учеб. пособие для вузов.– 2-е изд., доп. – М.: Высш. шк., 2000. – 255 с.

2. Герасименко А.А. Передача и распределение электрической энергии: Учеб. пособие / А.А.Герасименко, В.Т.Федин. – Ростов-н/Д.: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2006.– 720 с.

3. ГОСТ 14209–85 Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов.

4. ГОСТ 19431-84 Энергетика и электрификация. Термины и определения.

5. ГОСТ 21027-75 Системы энергетические. Термины и определения.

6. ГОСТ 24291-90 Электрическая часть электростанции и электрической сети. Термины и определения.

7.  ГОСТ Р 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. – М.: Стандартинформ, 2013. – 36 с.

8. Графическое оформление курсовых и дипломных проектов: учеб. пособие / Н.В.Лазуткова, И.В.Северов, А.Н.Бритвин, Б.И.Просенков, Ю.Н.Карпов, А.Б.Кузьмин, А.Н.Жаркевич / под ред. Н.В.Лазутковой.– СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского. – 2004. – 275 с.

9.  Карагодин В.В. Способы и средства регулирования напряжения в электрических сетях объектов МО: учеб. пособие. – СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского, 2010. – 153 с.

10.  Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов: учеб. пособие для студ. учреждений среднего проф. образования. – М.: Изд-во «Мастерство»; Высш. шк., 2001.– 320 с.

11.  Мусаэлян Э.С. Наладка и испытания электрооборудования электростанций и подстанций. М.: Энергоатомиздат, 1986. – 503 с.

12.  Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций: справ. пособие. – М.: Энергоатомиздат. 1986. – 520 с.

13. Постников Н.П., Рубашов Г.М. Электроснабжение промышленных предприятий: учеб. для техникумов. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1989. – 352 с.

14. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП) – С-Пб.: Изд-во ДЕАН, 2003. – 304 с.

15. Правила устройства электроустановок. – 7-е изд. (перераб. и доп. с изменениями). – М.: Главгосэнергонадзор России, 2002.

16. Проектирование систем электроснабжения объектов специального назначения. Часть 1. Сети до 1000 В: учебное пособие / В.В. Карагодин, Н.Е. Пешехонов, Б.А. Ревяков. - СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского, 2012. - 176 с.

17.  Проектирование систем электроснабжения объектов специального назначения. Часть 2. Сети выше 1000 В: учебное пособие / Б.А. Ревяков В.В. Карагодин, Н.Е. Пешехонов. - СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского, 2012. - 124 с.

18. Рожкова Л.Д., Козулин В.С. Электрооборудование станций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.

19. Рожкова Л.Д. Электрооборудование электрических станций и подстанций: Учеб. / Л.Д.Рожкова, Л.К.Карнеева, Т.В.Чиркова. – М.: Изд. центр «Академия», 2004. – 448 с.

20. Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю., Яшков В.А. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: учеб. для проф. учеб. заведений. – М.: Высш. шк., 2001. – 336 с.

21. Филатов А.А. Обслуживание электрических подстанций оперативным персоналом. – М.: Энергоатомиздат. 1990.- 205 с.

22. Худяков З.И. Устройство и ремонт трансформаторов. М.: Высш. шк., 2009. – 155 с.

23. Цигельман И.Е. Электроснабжение гражданских зданий и коммунальных предприятий: учеб. для электромеханических специальных техникумов. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 1988. – 319 с.

24. Электропитающие системы и электрические сети наземных космических средств: учеб. пособие / Ревяков Б.А., Карагодин В.В., Пешехонов Н.Е. – СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского, 2009. – 224 с.

25. Электротехнический справочник: в 3 т. – М.: Энергоатомиздат, 1988.

26. Электроустановки жилых и общественных зданий. Правила проектирования и монтажа электроустановок жилых и общественных зданий: СП 256.1325800-2016.– Минстрой России, 2016.– 119 с.

 

 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

 

АВР – автоматическое включение резерва.

АВТ – автотрансфрматор.

АПВ – автоматическое повторное включение.

ГПП – головная понизительная подстанция.

ГАЭС – гидроаккумулирующая электростанция.

ГЭС – гидроэлектростанция.

ДЭС – дизельная электростанция.

ЗА – защитный аппарат.

ЗРУ – закрытое распределительное иустройство.

КА – коммутационный аппарат.

КЗ – короткое замыкание.

КЗА – коммутационно-защитный аппарат.

КРУ – комплектное распределительное устройство.

КТП – комплектная трансформаторная подстанция.

КСЛ – камера сборная одностороннего обслуживания.

ОРУ – открытое распределительное устройство.

ПБВ – переключение без возбуждения.

ПП – преобразовательная подстанция.

ЛЭС – приливная электростанция.

РЗ – релейная защита.

РП – распределительный пункт.

РПН – регулирование под напряжением

РУ – распределительное устройство.

РУ ВН – распределительное устройство высшего напряжения.

РУ ГН – распределительное устройство генераторного напряжения.

РУ НН – распределительное устройство низшего напряжения.

РУ СН – распределительное устройство среднего напряжения.

СГ – синхронный генератор.

СПП – сетевая понизительная подстанция.

СТ – силовой трансформатор.

ССШ – система сборных шин.

СЭС – система электроснабжения.

ТВЧ – токоведущие части.

ТП – трансформаторная подстанция.

ТЭС – тепловая электростанция.

ТЭЦ – теплоэнергоцентраль.

ХХ – холостой ход.

ЭП – электрическая подстанция.

ЭС – энергетическая система.

ЭЭС – электроэнергетическая система.

ЭУ – электроустановка.

ЭЭ – электрическая энергия (электроэнергия).