1.2.15. Электрохимические генераторы
В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии 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.
Важное техническое приложение гальванические элементы нашли в аккумуляторах, где вещество, расходующееся при отборе тока, предварительно накапливается на электродах при пропускании через них в течение некоторого времени тока от постороннего источника (при зарядке). Применение аккумуляторов в энергетике затруднено вследствие малого запаса активного химического горючего, не позволяющего получать непрерывно электроэнергию в больших количествах. Кроме того, для аккумуляторов характерна малая удельная мощность.
Большое внимание во многих странах мира уделяется непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую, осуществляемому в топливных элементах. В этих преобразователях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химик Нернст вычислил, что теоретический КПД электрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75 %.
На рис. 1.45 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента.
Рисунок 1.45 - Схема водородно-кислородного топливного элемента:
1 – корпус; 2 – катод; 3 – электролит; 4 – анод
Электроды в топливном элементе выполнены пористыми. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны создают отрицательный потенциал и во внешней цепи перемещаются к катоду. Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоединяют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые, присоединяя из воды атомы водорода, переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН-.Ионыгидроксила, соединяясь с ионами водорода, образуют воду.
Таким образом, при подводе водорода и кислорода происходит реакция окисления горючего ионами с одновременным образованием тока во внешней цепи. Так как напряжение на выводах элемента невелико (порядка 1 В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД топливных элементов очень высок. Теоретически он близок к единице, а практически он равен 6080 %.
Использование водорода в качестве топлива сопряжено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности применения других, более дешевых видов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа.
В настоящее время широко ведутся работы над созданием эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элементов все еще невелика.
Топливные элементы бесшумны, экономичны, и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.
1.2.16. Дизельная электростанция
На дизельных электростанциях в качестве первичного двигателя используются двигатели внутреннего сгорания. Они же применяются в качестве источников аварийного питания или в местах, где отсутствует электроснабжение или невозможно осуществлять подвоз угля или другого топлива.
В двигателях внутреннего сгорания (дизельных генераторах) сгорание топлива происходит внутри одного или нескольких цилиндров. Сначала двигатель внутреннего сгорания, устроенный аналогично автомобильному двигателю, преобразует химическую энергию в механическую. Затем генератор, вал которого вращает двигатель, преобразует механическую энергию в электрическую. Как правило, в таких установках используются двух- или четырехтактные двигатели внутреннего сгорания.
Двигатели внутреннего сгорания имеют малую или среднюю мощность в диапазоне от 2 МВт до более 50 МВт. Их КПД выше, чем у газовых турбин. Кроме того, капитальные затраты, необходимые для их сооружения, невелики, установки легко транспортируются и начинают генерировать электричество практически немедленно после запуска. По этим причинам генераторы внутреннего сгорания используются там, где нужна небольшая мощность, а также для энергоснабжения в чрезвычайных ситуациях.
Режимы энергосистемы и участие электростанций в выработке электроэнергии
Нагрузка электрической системы слагается из следующих составляющих:
1. Нагрузок потребителей.
2. Мощности собственных производственных нужд ЭС.
3. Потерь мощности в сетях.
Так как потребление мощности неравномерно как в течение суток, так и в течение года, то нагрузка энергосистемы также неравномерна (см. рис. 1.46).
Рисунок 1.46 – График нагрузки электрической системы
Нагрузка электрической системы должна быть распределена между всеми ЭС, суммарная установленная мощность которых Рнг max несколько превышает наибольший максимум системы.
Покрытие базовой части суточного графика возлагают:
1. На ТЭЦ, максимальная экономичность которых имеет место при соответствии тепловой и электрической нагрузок.
2. На АЭС, регулирование мощности которых затруднительно.
3. На ГЭС в размере, соответствующему минимальному пропуску воды, необходимо по санитарным требованиям и условиям судоходства. Во время паводка участие ГЭС в покрытие базовой части графика нагрузки может быть увеличено с тем, чтобы не сбрасывать бесполезно избыток воды.
Покрытие пиковой части графика возлагают на ГЭС и ГАЭС, агрегаты которых допускают частые включения и отключения, быстрое изменение нагрузки. Остальная часть графика может быть покрыта КЭС, работа которых наиболее экономична при равномерной нагрузке. Эта нагрузка частично выравнивается ГАЭС при работе их в насосном режиме.
Чем не равномернее график нагрузки, тем большую мощность должны иметь ГАЭС и ГЭС. В этом случае обеспечится экономичная работа КЭС без резкого снижения их нагрузки в ночные часы.