История и развитие теплоэнергетики.

История развития теплоэнергетики и связана с эволюцией развития естествознания и техники..Еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Однако низкий уровень науки и техники и отсутствие потребности в новом двигателе у общества остановили его разработку почти на 1700 лет.

Отдельные технические решения возникали и совершенствовались по мере развития естествознания в целом и отдельных базовых наук: теплотехники, гидравлики, механики и других. В рукописях Леонардо да Винчи начала XVI в есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу. В середине XVI в. итальянец Кардан указывал на свойство пара конденсировать при охлаждении. В XVII веке именно эта идея стала занимать умы учёных. Расширяющийся пар может совершить работу. Нужно, только чтобы пробка превратилась в поршень, соединенный с каким-нибудь насосом или механизмом да научиться возвращать поршень в исходное положение. Здесь пригодились исследования Эванжелисто Торричелли по атмосферному давлению. Если под поршнем образуется «пустота», то атмосферное давление вернёт его на прежнее место и процесс можно повторить снова. Этим и занимался врач по образованию, француз Дени Папен. Опыты итальянца Дж.делла Порта по исследованию удельного объема водяного пара (1601 г.) показали возможность подъема воды давлением пара, причем необходимость кипячения всей поднимаемой воды исключалась применением отдельного сосуда - парогенератора, предшественника парового котла. Позднее француз Саломон де Ко описывал «страшную силу» пара, способного, как показали опыты, разорвать толстостенный металлический сосуд и также поднимать воду высоким фонтаном (1623 г.). Таким образом, «сила водяного пара» не могла не обратить на себя внимание, как на один из источников энергии, не зависящий от местных условий и способный решать наиболее актуальную задачу водоподъема.

Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. С увеличением глубины рудников потребность в мощности для откачивания воды увеличивалась в связи с повышением объемов откачиваемой воды и ростом высоты ее подъема из рудников. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Глубина шахт стала достигать 200 м. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике. Эта чисто практическая задача и стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.

Кризис, начавшийся в водоподъемных установках еще в XVII в., в XVIII в. распространился и на другие отрасли производства.

Таким образом, практика сумела решить первый этап задачи перехода от водяного колеса к тепловому двигателю.

20 .История развития и возникновения гелиоэнергетики.

Гелиоэнергетические программы принятые более чем в 70 странах - от северной Скандинавии к выжженным пустыням Африки. Устройства, которые используют энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции домов, небоскребов, опреснение воды, производства электроэнергии.

Такие устройства используются в разных технологических процессах. Появились транспортные средства с "солнечным приводом": моторные лодки и яхты, солнцелёты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоатракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, которая практически не уступает обычному автомобилю.

Концентраторы солнечного излучения. С детства многие помнят, что с помощью обычной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжёлые, дорогие и непростые в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия. Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются или традиционные - стеклянные, или из полированного алюминия.

Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов - зеркал, линз, светловодов и др., однако при высоких уровнях мощности излучения, которое концентрируется, практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели. Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, который падает на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце. Способность реальных систем, которая концентрирует, значительно ниже, но также определяется перво-наперво геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенным образом на нее влияет и отражающая способность зеркальной поверхности, в особенности в случае многоразового отражения.

Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь конфигурацию, близкую к форме поверхностей вращения второго порядка - параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения, которое в сотни и тысячи раз превышает постоянную солнца. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического параболоида; параболоида вращения; плоско-линейной линзы Френеля.

Параболоидная конфигурация имеет явный перевес перед другими формами по величине концентрующей способности. Поэтому именно она настолько широко распространена в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального парабалоидного концентратора (45^o), близок к 60^o.

Первые попытки использования солнечной энергии на широкой коммерческой основе относятся к 80-м годам XX века. Наибольших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года в Калифорнии введена в эксплуатацию солнечно-газовая электростанция мощностью 80 МВт, на которой используется система параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем - дифенилом, который нагревается до 350оС. Желоб вращается для наблюдения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему наблюдения за солнцем. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВт·ч энергии составляет 7...8 центов. Это ниже, чем на большинстве традиционных станций (атомные станции США вырабатывают электроэнергию стоимостью 15 центов за 1кВт·ч). В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы - солнце.

Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что партнерами солнечной энергии должны выступать разные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее приемлемой "кандидатурой" является водород. Обратный процесс перевода энергии водорода в электроэнергию осуществляется особыми устройствами - топливными элементами.

Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня - направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.

21. История развития ветроэнергетики.

Первый ветродвигатель был простым устройством с вертикальной осью вращения, таким, например, как устройство, которое применялось в Персии за 200 лет до нашей эры для размола зерна. Использование такой мельницы с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Немного позднее была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, которая состояла из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до сих пор в многих странах бассейна Средиземного моря. В ІХ столетии ветреные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и попали в Европу в Х столетии при возвращении крестоносцев. В средние века в Европе многие поместные законы, включая и право отказа в разрешении на строительство ветреных мельниц, заставляли арендаторов иметь площади для посева зерна возле мельниц феодальных имений. Посадки деревьев близ ветреных мельниц запрещались для обеспечения "свободного ветра". В XIV столетии голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветреных мельниц и широко использовали их с этих пор для осушения болот и озер в дельте реки Рейн. Между 1608 и 1612 гг. польдер Беемстер, который находился на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветродвигателей мощностью 37 квт каждый.

Позднее известный инженеров-гидравлик Лигвотер, применив 14 ветродвигателей производительностью 1000 м³/мин., которые перекачивали воду в аккумулирующий бассейн, осушил за четыре года польдер Шермер. Потом 37 ветродвигателей перекачивали воду из бассейна в кольцевой канал, откуда она попадала в Северное море.

В 1582 г. в Голландии была построена первая маслобойня, которая использовала энергию ветра, через 4 года - первая бумажная фабрика, которая удовлетворяла повышенные требования к бумаге, обусловленные изобретением печатной машины.

В середине XIX столетия в Голландии использовалось для разных целей около 9 тыс. ветродвигателей. Голландцы внесли много усовершенствований в конструкцию ветреных мельниц и, в частности, ветроколеса.

Более поздний для улучшения аэродинамической формы лопате бруски были присоединены к ее задней кромке. В более современных конструкциях паруса были заменены тонким листовым металлом, использовались стальные махи и разные типы жалюзи и щитков для регулирования частоты обращение ветроколеса при больших скоростях ветра. Большие ветреные мельницы заводского изготовления при больших скоростях ветра могли развивать мощность до 66 квт.

Первой лопастной машиной, которая использовала энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследование показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с высочайшим КПД, который непосредственно использует энергию ветра для движения.

Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель как двигатель для перемещения по воде. Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в движение гребное колесо. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного направления может двигать судно в любом направлении.

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевський заинтересовался ветряными мельницами и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветреной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ столетия интерес к воздушным винтам и ветроколёсам не был обособлен от общих тенденций времени - использовать ветер, где это только возможно. Сначала наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном "Фраме" он вращал динамомашину. На парусниках ветряные мельницы передавали движение насосам и якорным механизмам.

В Русской империи к началу минувшего столетия работало около 2500 тысяч ветряных мельниц общей мощностью 1 млн. квт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году близ Ялты была построена наибольшая на том время ветроэнергетическая установка мощностью 100 квт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 квт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, который занимался этой проблемой, был закрыт.

Сформировавшаяся ситуация отнюдь не обуславливалась местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США до 1940 года построили ветроагрегат мощностью 1250 кВт. До конца войны одна из его лопатей получила повреждения. Ее даже не стали ремонтировать - экономисты подсчитали, что более выгодно использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее творец и собственник П.Путнем выложил свой печальный опыт в прекрасной книге "Энергия ветра", которая не утратила до сих пор своей актуальности.