ОПЭвЭС лекции

воды и охлаждение рабочего тела, переходящего в жидкую фракцию. Из конденсатора через дроссель рабочее тело вновь поступает в испаритель.

Для приведения вала компрессора ПНТ во вращение используется газотурбинная установка приводного контура, вращение вала, которой осуществляется посредством полученных в камере сгорания газов, подаваемых на лопатки турбины. Отработавшие в турбине нагретые газы выбрасываются в атмосферу через котел-утилизатор, где они охлаждаются, отдавая теплоту подогреваемой воде.

Таким образом, сетевая вода с температурой 600С, проходя через два теплообменника нагревается до температуры 900С.

Структурная схема ресорбционно-компрессионного теплового обменника приведена на рис. 6.

150…1700С

50…600С

Рис. 6. Структурная схема ресорбционно-компрессионного теплового обменника.

Д – дегазатор, К – компрессор, Р – ресорбер, ТО – теплообменник, Н –насос, ДР - дроссель

Принцип работы установки заключается в следующем. Отработавшие в паровом котле газы выбрасываются в атмосферу через контактный теплообменник, где их температура падает с 50 до 250С за счет подогрева рабочего тела, циркулирующего в контуре контактный теплообменник – дегазатор. Из дегазатора рабочее тело попадает в компрессор, где происходит его сжатие и повышение температуры. В ресорбере вследствие теплообмена происходит повышение температуры поступившей от потребителя воды

с 50...600С до 80…1050С за счёт охлаждения рабочего тела. Подогретая до такой температуры вода вновь поступает в котел, а после нагревания – в потребитель. Охлажденное же в ресорбере рабочее тело поступает в теплообменник, где его температура понижается до необходимой величины, а далее нагнетается насосом в дегазатор.

Внетрадиционной возобновляемой энергетике используется также энергетический потенциал, определяемый разницей температур между нижними и верхними слоями воды водоемов или нижними слоями воды и наружным воздухом. Естественные перепады температур в природе присутствуют

практически везде и бывают весьма значительными: в океанах перепад температуры в нижних и верхних слоях достигает 15…200С, в горных реках – 25…300С, между подледной водой и воздухом в зимнее время года – 20…400С.

Установки, работающие на перепаде температур, могут использовать замкнутый и разомкнутый циклы. В установках с замкнутым циклом (Ренкина) легкокипящая жидкость типа фреона, аммиака отработав в парообразном состоянии в турбине, направляется в конденсатор, охлаждаемый наружным воздухом, а оттуда – в парогенератор.

Вустановках с разомкнутым циклом теплая вода поверхностного слоя океана вскипает в испарителе с низким давлением, затем направляется в турбину, после чего – в конденсатор.

Схема установки для получения электроэнергии за счет перепада температур между проточной водой подо льдом и наружным холодным воздухом приведена на рис. 7.

Принцип работы установки заключается в следующем. Протекающая подо льдом вода нагревает парогенератор 1, рабочее тело в котором переходит из жидкого в газообразное состояние и направляется на лопатки турбины 2, преводящей во вращение вал генератора переменного тока 3. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор 5, где переходит в жидкую фракцию и насосом 4 нагнетается опять в

11

		парогенератор.			Для		повышения
		эффективности			работы		конденсатора
		посредством вентилятора 6 производится его
		охлаждение атмосферным воздухом.
		В	номинальном			режиме		КПД
		установки составляет 7%.
		Для создания автономных источников
		энергоснабжения,				обеспечивающих
		совместную		генерацию		электрической и
		тепловой		энергии		в	отдаленных
		малонаселенных пунктах, могут быть
		использованы маломощные ТЭС на базе
		теплового двигателя Стирлинга с внешним
		подводом тепла (см. рис. 8). Такой двигатель
		состоит	из	винтового маслонаполненного
		компрессора и винтовой				маслонаполненной
		турбины, вал которой соединен с валами
		компрессора и генератора. Основным
		рабочим телом является газ. Масло,
		частично	заполняющее			проточную		часть
		винтового компрессора, играет роль
		смазывающего,					гидравлически
		уплотняющего и отводящего выделяющуюся
		в процессе сжатия рабочего тела теплоту
		агента. В выхлопном патрубке компрессора
		масло отделяется от газа и, охладившись в
		водяном			теплообменнике,			вновь
		впрыскивается на вход компрессора.
		В		винтовой		турбине		также
	Рис. 7. Установка для получения электроэнергии за счет
		используется масло с целью смазки
	перепада температур между проточной водой подо
		трущихся частей и в качестве уплотнителя.
	льдом и наружным холодным воздухом
		Однако здесь оно впрыскивается горячим с
	1 – парогенератор (котёл), 2 – турбина, 3 – генератор, 4 –	целью подогрева рабочего тела в процессе
		расширения его в проточной части турбины.
	циркуляционный насос, 5 – конденсатор, 6 - вентилятор
		Этот подогрев может быть обеспечен как за
		счет сжигания любого вида топлива при
		атмосферном			давлении	при	наименьшем

загрязнении атмосферы, так и за счет использования любого другого источника тепла.

На рис. 8 приведена структурная схема автономной ТЭС с тепловым двигателем внешнего сгорания.

Рис. 8. Структурная схема автономной ТЭС с тепловым двигателем внешнего сгорания

Лекция 4

1. Структурные схемы устройств преобразования энергии первичных источников в электрическую по схеме возобновляемые источники – электроэнергия.

12

1

По данным Мирового Энергетического совета, представившего варианты прогноза ввода новых возобновляемых источников энергии, к 2020 году их доля в общем балансе производства электроэнергии составит 8…12% (см. табл.).

По оценке Американского общества инженеров-электриков, если к 1980 году доля производимой в мире электроэнергии на основе возобновляемых источников составляла 1%, в 2003г. – 5%, то к 2020 г. она составит 13%, а в 2060г. – 33%.

Российская Федерация располагает значительными возобновляемыми энергоресурсами, что иллюстрируется таблицей

Потребность расширения использования возобновляемых источников энергии и местных энергоресурсов для России актуальна в связи с тем, что порядка 20 млн человек, проживающих на 70% территории станы, не имеют централизованного энергоснабжения. Развитие нетрадиционных источников энергии позволит решить проблему энергообеспечения отдаленных труднодоступных и экологически напряженных регионов.

Россия обладает значительными ресурсами растительной биомассы. Так отходы лесопереработки составляют более 53 млн м3, что почти полностью покрывает потребность в древесине на топливные нужды (57 млн м3). Кроме того, в городах образуются твердые бытовые отходы (более 400 кг/чел в год), 50% которых составляет органическая часть. В целом, доступные для производства энергии ресурсы растительной биомассы эквивалентны 400 млн т у. т., а по некоторым расчетам – до 1 млдр т у.т.

Немаловажным стимулом развития нетрадиционной энергетики является рост цен на 1 кВтч электроэнергии, произведенной различными способами (см. таблицу). Одной из основных составляющих, определяющих себестоимость энергии являются капитальные затраты, связанные, как с введением новых мощностей, так и модернизацией изношенного оборудования. Наряду с устойчивой тенденцией роста капитальных вложений в традиционную энергетику в настоящее время наблюдается существенное снижение удельных капитальных вложений в нетрадиционной энергетике. Так за период с 1980 по 1998гг. удельные капиталовложения на тепловых электростанциях повысились с 750 долл/кВт до 1000…1100 долл/кВт, на атомных электростанциях – с 1500долл/кВт до 2200 долл/кВт. За этот же период капитальные вложения в ветроустановки снизились с 4000 долл/кВт до 900 долл/кВт, стоимость фотоэлектрических модулей – с 50000 долл/кВт до 4000…5000 долл/кВт.

Кроме того следует учитывать и тот факт, что крупная тепловая электрическая станция строится 6…8 лет, гидроэлектростанция – 10…12 лет, а ветростанция мощностью 50 МВт – за 5…6 месяцев (за рубежом).

13

Факторы, стимулирующие использование возобновляемых источников энергии:

-обеспечение энергетической безопасности (смягчение зависимости от импорта нефти);

-экологические аспекты производства энергии (выбросы парниковых газов);

-сохранение запасов собственных энергоресурсов (для неэнергетического использования);

-расширение рынков сбыта;

-обеспечение электроснабжения удаленных районов;

-предотвращение или снижение ограничений на потребление энергии;

-развитие собственной промышленности.

Рассмотрим принцип работы и технологические особенности энергетических установок на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии.

Гелеоэнергетика.

Огромный энергетический потенциал Солнца (ежегодно на Землю попадает энергия эквивалентная 50 трлн. т у.т.) распределяется с плотностью порядка 150…250 Вт/м2. Для использования энергии применяют три основные технологии:

-гелиоустановки горячего водоснабжения и отопления с помощью солнечных коллекторов, дающих низкотемпературное тепло. Применяются для обогрева, кондиционирования, опреснения морской воды, технологических процессов в сельском хозяйстве по переработке продуктов питания, кормов и т.д.;

-солнечные электростанции, на которых с помощью системы ориентированных на солнце отражателей (параболоидов или параболических цилиндров), в фокусе которых размещаются емкости или трубы с теплоносителем, нагреваемым до кипения, пар которого используется в паросиловом цикле, рассмотренном выше. Для получения энергии в темное время суток станция дополняется газовой тепловой электрической станцией;

-фотоэлектрические станции, где происходит прямое преобразование солнечной энергии в электрическую в батареях фотоэлементов.

Наиболее перспективными направлениями на текущий момент являются коллекторные гелиоустановки и станции на фотоэлементах, обладающих КПД в 20…25%.

Конструкция фотоэлемента представлена на рис. 9, характеристика солнечного элемента – на рис. 10. Принцип действия заключается в следующем. При облучении элемента световым потоком генерируется постоянный ток, часть которого протекает от положительного контакта к отрицательному через p-n переход,

преодолевая потенциал запрещенной зоны Еg, часть (которой обычно пренебрегают) – через шунтирующее сопротивление, часть (большая) – через нагрузку.

14

Рис. 9. Конструкция солнечного элемента

На рис. 10 представлены типичные вольтамперные характеристики фотоэлемента при отсутствии и наличии освещения. Обе они идентичны по виду, но смещены друг относительно друга параллельно оси абсцисс. Величина этого смещения, называемая световым током, пропорциональна интенсивности падающего света. Оптимальной нагрузкой солнечного элемента при заданном освещении является такая, которая отвечает требованию максимальной выходной мощности прибора. Последняя в свою очередь определяется максимальной площадью вписанного между характеристиками прямоугольника.

Коэффициент полезного действия

преобразования зависит от многих факторов (материала полупроводникового элемента, ширины запрещенной зоны, потерь на отражение светового потока и пр.), но определяется всегда по формуле η=Рвых/Рсв , где Рвых – мощность потребленной электрической энергии, Рсв – мощность светового потока, которая может быть определена

Рис. 10. Характеристика солнечного элемента

1- при отсутствии освещения; 2- при наличии освещения; 3- линия нагрузки

	Рсв		N ( )	hc	d	,
	0
где N(λ)dλ – количество фотонов; hc/λ –
энергия фотона.
Кривые КПД фотоэлемента в зависимости от
материала	полупроводникового				элемента,		его

	температуры в функции потенциала запрещенной зоны	Рис. 11. Зависимости η=f(Eg) при различных
	приведены на рис. 11.
		температурах и материалах полупроводников
	Зависимость полезно используемой части
	солнечной энергии от ширины запрещенной зоны
	полупроводника на примере кремния показана на рис. 12, а КПД – на рис. 13.

	Рис. 12. Зависимость полезно используемой части	Рис. 13. Зависимость предельного КПД от Eg
	солнечной энергии от ширины запрещенной зоны
	полупроводника	15

трехфазного

генератора

позволяет проблему.

Одна

мощностью

Ветроэнергетические установки могут быть выполнены на базе ветроколеса с лопастями (или винта) и карусельного типа с вертикальным расположением оси вращения. Последние в силу тихоходности требуют либо установки редуктора с большим передаточным числом, либо применения специальных низкооборотных многополюсных генераторов.

Основные проблемы применения – сохранение работоспособности в диапазоне скоростей ветра от 1…2 м/с до 25 м/с и выше, а также шумовые нагрузки на окружающую среду.

Рис. 14. Конструкция ветроустановки 1- стабилизатор; 2- генератор; 3- лопасть винта; 4- мачта; 5- кабель; 6-

падающая мачта; 7- растяжка

В качестве генератора в установке может применять электрическая машина переменного или постоянного тока, соединяющаяся через редуктор с винтом. При использовании машины постоянного тока возникает проблема стабилизации выходного напряжения при изменении скорости вращения винта. Кроме того, поскольку основными потребителями энергии являются потребители на переменном токе, то в комплект установки наобходимо включать преобразователь постояннопеременного тока.

При использовании в качестве генераторов переменного тока синхронных или асинхронных машин возникает проблема стабилизации частоты питающей сети при изменении скорости ветра.

Применение

асинхронного ведомого сетью решить эту

ветроустановка 1 МВт при

среднегодовой скорости ветра 6 м/с позволяет сэкономить 1 тыс. т у.т. в год.

На рис. 14 приведена конструкция ветроустановки с применением трехлопастного винта. Установленная мощность ветроустановок в мире увеличилась с 6172 МВт в 1996 г. До 23000 МВт в

2001 г., а к 2006г. ожидается 36000 МВт. Страны-лидеры: Германия, США, Дания, Испания, Индия.

Гидроэнергетика.

Нетрадиционная гидроэнергетика, рассчитанная в отличие от малых и микроГЭС на большие мощности, связана с использованием энергии приливов, волн и течений.

Максимальная высота приливов в благоприятных по условиям местах достигает 10 м. Приливные электростанции располагаются в створе плотины и пропускают через свои турбины воды приливного и отливного потоков. На рис. 15 приведена конструкция приливной электростанции мощностью 450 кВт. В теле плотины установлены 2 турбины, приводимые во вращение потоком воды, направляемой в водохранилище во время прилива и обратно – во время отлива. Перепад воды составляет 8 метров.

Разрабатываются также приливные электростанции поплавкового типа, в которых используется потенциальная энергия воды, поднимающая поплавки.

Волноприбойные электростанции строятся по поплавковому принципу, либо по поршневому, при котором колебания уровня воды в вертикальных колодцах используются в качестве «поршней», прогоняющих через турбину воздух, находящийся в этих колодцах.

Моретермальные станции используют тепловую энергию океана за счет перепада температур верхнего и глубинного слоев воды (температура воды на глубине первой сотни метров составляет до 200С). Принцип работы такой станции был рассмотрен ранее.

16

Рис. 15. Приливная электростанция мощностью 450 кВт.

а – поперечный разрез (І- вид со стороны водохранилища, ІІ – вид со стороны моря); б – продольный разрез

Наиболее перспективными направлениями развития гидроэнергетики считают (кроме развития гидроаккумулирующих станций – ГАЭС) малые ГЭС (мощностью до 30 МВт) и микроГЭС (мощностью до

0,1 МВт).

Для малых ГЭС с гидроагрегатами, работающими при малых (до 2…5 м) и больших расходах воды могут найти применение наплавные микроГЭС. На рис. 16 приведена конструкция двухагрегатной наплавной микроГЭС мощностью 2×15 кВт на напряжение 380В частотой 50Гц. Диаметр рабочего колеса – 1800мм, размеры платформы - 9000x6500x300 мм.

По экспертным оценкам экономический гидроэнергетический потенциал, пригодный для эксплуатации малыми и микроГЭС, составляет 35% от мирового гидроэкономического потенциала.

17

Рис. 16. Малая наплавная ГЭС мощностью 30 кВт 1 – турбина;2 – генератор; 3 – редуктор; 4 – трансформатор; 5 – ситема

подъёма и стопорения турбины; 6 - понтон

Лекция 5

1.Структурные схемы устройств преобразования энергии первичных источников в электрическую по схеме возобновляемые источники – электроэнергия (продолжение).

1	Геотермальная энергетика.

Потенциал геотермальной энергии базируется на использовании естественного тепла Земли. При углублении в недра планеты происходит повышение температуры в среднем на 330С на каждый километр. Однако есть точки, где уже на небольшой глубине температура горных пород и пропитывающих их вод весьма велики.

Технология использования геотермальной энергии заключается в извлечении на поверхность при помощи пробуренных скважин горячих подземных вод – гидротерм или паротерм, отборе у них теплоты и последующего возврата их в подземные пласты для повторного нагрева.

В зависимости от температуры воды, пароводяной смеси или пара источники подразделяются на низкотемпературные, среднетемпературные (1300…1500С) и высокотемпературные (>1500С).

Низко- и среднетемпературные гидротермы используются в основном для обогрева и теплоснабжения, высокотемпературные – для получения электроэнергии в ГеоТЭС. Вследствие агрессивности подземных вод (содержат примеси солей, минералов и т.д.) целесообразно применение двухконтурных ГеоТЭС, в первом контуре которых осуществляется нагрев рабочего тела второго контура, а во втором – преобразование тепловой энергии в электрическую по ранее рассмотренной схеме.

Установленная мощность геотермальных электростанций возросла 678 МВт в 1970г. до 8 ГВт в 2000г. Среднегодовой прирост мощностей составил 8,6% к уровню предыдущего года.

Геотермальная энергия – важнейшая из нетрадиционных возобновляемых источников энергии, который с 2000 г. стал конкурентоспособным традиционным видам энергии.

Геотермальная установка мощностью 1МВт позволяет сэкономить до 3 тыс. т у.т. в год.

Биоэнергетика.

Основным видом биомассы, используемой в биоэнергетике, является некоммерческое топливо: древесина и ее отходы,отходы растениеводства и животноводства, бытовые отходы.

Используемые промышленные технологии включают в себя:

-прямое сжигание;

-сжигание в смеси с основным топливом;

-термохимическую переработку (газификация топлива);

-биохимическую конверсию (получение биогаза, спирта, этанола).

Суммарный энергетический потенциал некоммерческого топлива в мире составляет свыше 4 млрд т у.т. в год.

Выработка тепловой и электрической энергии на основе прямого и совместного с основным топливом сжигания получила развитие в Швеции, Финляндии, Канаде, США, Дании и др.

18

Получение биогаза – в Китае, Индии, сранах Юго-Восточной Азии; этанола и этилового спирта – в Бразилии – крупнейшем производителе этилового спирта в мире.

Водородная энергетика.

В основе водородной энергетики лежит химическая реакция окисления водорода кислородом, в процессе которой происходит выделение теплоты, используемой для получения электрической энергии.

Реакция окисления водорода

2Н2 + О2 = 2Н2О + Q ,

где Q – тепловая энергия.

Главное достоинство водорода как энергетического топлива заключается в том, что удельная теплота его сгорания почти втрое выше, чем у нефти, продуктом сгорания является вода.

Технологический недостаток – его повышенная взрывоопасность и проблематичность хранения. Водород может быть получен:

-электролитическим способом при разложении воды на водород и кислород при пропускании электрического тока;

-плазмохимическим способом, основанном на пропускании электрического тока через оинизированный газ, находящийся в магнитном поле;

-при работе топливных элементов с обратимыми химическими реакциями.

Термоядерная энергетика.

Тепловая энергия как исходный материал для преобразования в электрическую энергию может быть получена в результате термоядерных реакций, протекающих при температурах не менее 100 млн 0С, когда происходит синтез более тяжёлых элементов из ядер более лёгких или в результате ядерных реакций деления элементов, составляющих периодическую таблицу Д.И.Менделеева. Высокие температуры, т.е. достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояния порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и «перестройка» ядер, происходящая при термоядерной реакции. Термоядерные реакции, как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер их более рыхлых и поэтому сопровождаются выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, преобразуемой в тепловую при затормаживании продуктов реакции.

Одним из перспективных и практически неисчерпаемых источников энергии считается управляемый термоядерный синтез, при котором ядра веществ, находящихся в состоянии плазмы, соединяются, образуя ядра нового элемента. В термоядерных реакторах синтез происходит при высокой напряженности магнитного поля, удерживающего вещества в состоянии плазмы.

Наибольший практический интерес вызывает термоядерная реакция синтеза, в которой участвуют тяжелые изотопы водорода – дейтерий (с двумя нейтронами в ядре) и тритий (с тремя нейтронами в ядре). В результате слияния ядер дейтерия и трития образуется нестабильное ядро гелия-5, распадающееся на

стабильное ядро гелия-4 и нейтрон, при торможении которого происходит выделением тепловой энергии:

2Н + 3Н → 4Нe + n ,

где 2Н – дейтерий (дейтрон); 3Н – тритий (тритон); 4Нe – ядро гелия; n – нейтрон.

Цепная реакция деления ядер осуществляется при использовании в ядерных реакторах ядерного топлива. Существует только одно природное ядерное топливо – урановое, которое содержит делящиеся ядра 235U, обеспечивающие поддержании цепной реакции, и так называемые «сырьевые» ядра 238U, способные захватывать нейтроны и превращаться в делящиеся ядра 239Pu, не существующие в природе (вторичное топливо):

	β _		β _		α
238U(n, ) 239U		239Np		239Pu			.
					2,4 104
	23 мин		2,3 дня			лет

Вторичным горючим является также не встречающиеся в природе ядра 233U, образующиеся в результате захвата нейтронов сырьевыми ядрами 232Th:

β

_

β

_

α

232

233

Th

233

Pa

233

U

Th(n, )

22,4 мин

27,4 дня

1,6 10

5

лет

Ядерное топливо размещается в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах) ядерного реактора. По химическому составу ядерное топливо может быть металлическим (включая сплавы), карбидным, окисным, нитридным и др. Схема уранового топливного цикла для атомных электростанций (АЭС) энергетической мощностью 1ГВт приведена на рис. 17.

Производство уранового ядерного топлива начинается с добычи и переработки урановых руд с целью получения очищенной закиси-окиси урана U3O8. Далее U3O8 переводят в тетрафторид UF4 для последующего получения металлического урана, или в гексафторид UF6 – единственное устойчивое газообразное соединение урана, используемое для последующего обогащения его изотопом 235U. Далее UF6 переводят в двуокись или другие соединения, которые используют для изготовления ТВЭЛов. Отработавшие ТВЭЛы направляют на переработку с целью регенерации ядерного топлива для повторного его использования. U и Pu очищают от продуктов деления, затем Pu в виде PuО2 направляют для

19

Рис. 17. Схема уранового топливного цикла для атомной электростанции электрической мощностью 1 ГВт

изготовления сердечников, а U в зависимости от изотопного состава или также направляют для

20