Источники электрической и тепловой энергии

Энергия является мерой способности объекта совершить работу. Известно много видов энергии, например тепловая, механическая, электрическая, излучения, химическая, ядерная, массы.

Одним из критериев оценки качества энергии принимается доля энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу. Широко распространенные и перспективные источники энергии имеют следующие ориентировочные значения этого критерия:

• — теплота сжигаемого топлива — 30−45%;
• — электроэнергия — 95% и более;
• — источники механической энергии: ветровая — 30%, водных потоков рек — 60%, волновая или приливная — 65%;
• — тепловые возобновляемые источники — 35%;
• — фотоэлектрические преобразователи — 15%.

Из вышеизложенного следует, что наиболее эффективным является электрическая энергия.

Источники энергии делятся на невозобновляемые (истощаемые) и возобновляемые (неистощаемые).

Невозобновляемые источники энергии — это природные запасы вещества и материалов, которые могут быть использованы человеком для производства энергии. В первую очередь к ним следует отнести ископаемые топлива и продукты их переработки: каменный и бурый уголь, сланцы, торф, нефть, природный и попутный газ. Это также отходы некоторых производств: металлургической промышленности, процессов химической и термохимической переработки углеродистого и углеводородного сырья и т. д.

Возобновляемые источники энергии — это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии: солнца, ветра, тепловой энергии Земли, морей и океанов, рек, биомассы (растений и животных).

Электроэнергия для промышленности, сельского хозяйства и бытовых нужд вырабатывается на электростанциях различного типа, использующих энергию сжигания органического топлива (мазут, уголь, газ и т. д.), энергию расщепления атома, напора воды, энергию тепла земли, ветра и солнечную энергию.

Основу электроэнергетики России составляют тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС) и атомные (АЭС) электростанции. Все большее значение приобретают геотермальные (ГеоТЭС), солнечные (СЭС) и ветровые (ВЭС) электростанции. Ведутся работы над созданием термоядерных станций для производства электроэнергии.

Тепловые электрические станции можно разделить на следующие основные группы: конденсационные электростанции (КЭС) и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), работающие на органическом топливе, конденсационные атомные (АЭС), и атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), использующие ядерное топливо, а также газотурбинные электростанции (ГТЭС).

В конденсационных электростанциях тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании органического топлива (природный газ, мазут, уголь, горючие сланцы, торф), превращается сначала в механическую энергию с помощью турбины, а затем в электрическую с помощью электрического генератора.

Особенность таких станций заключается в том, что отработавший в их турбинах пар не идет на нужды потребителей тепла вне станции, а превращается в конденсаторах в воду, направляемую обратно в паровой котел для повторного использования.

КЭС — называли ранее «Государственными районными электростанциями» (ГРЭС).

Принцип работы КЭС состоит в следующем: топливо и подогретый воздух непрерывно поступают в топку котла. За счет тепла, образующегося в результате сжигания топлива, вода в котле превращается в пар с температурой 540−550°С, который со скоростью выше звуковой поступает на рабочие лопатки турбины, укрепленные на дисках, жестко связанных с валом. Вал, диски и рабочие лопатки вращаются совместно с частотой, равной 3000 об/мин. При этом трехфазный синхронный генератор, вал которого соединен с валом турбины, вырабатывает электрическую энергию.

После выхода из турбины водяной пар, имеющий низкое давление и температуру около 35 °C, поступает в конденсатор. Здесь пар с помощью охлаждающей воды, подаваемой насосами из водоема охладителя и прокачиваемой по расположенным внутри конденсатора трубкам, превращается в воду, которая с помощью специального насоса подается в паровой котел, и цикл использования воды повторяется. КЭС обычно строят вблизи крупных водоемов.

КЭС в России оборудуют энергоблоками мощностью от 150 до 800 МВт. Один из наиболее мощных в мире турбоагрегатов 1200 МВт установлен на Костромской электростанции.

КПД КЭС достигает в настоящее время 40%. Это значит, что только 40% тепла, полученного при сжигании топлива, превращаются в электроэнергию, а остальные 60% теряются.

Теплоэлектроцентрали ТЭЦ на органическом топливе отличаются от КЭС наличием промежуточного отбора пара из турбины, который направляется потребителям в технологические процессы или идет на нужды теплоснабжения. Таким образом, осуществляется комбинированное производство и отпуск двух видов энергии — электрической и тепловой. Полный КПД теплоэлектроцентралей, на которых в основном устанавливают агрегаты мощностью от 100 до 250 МВт, составляет 60−75% в зависимости от типа турбин.

Мощность работающих в нашей стране ТЭЦ составляет около трети от мощности всех тепловых станций.

На атомных электростанциях применяют в основном водо-водяные и уран-графитовые ядерные реакторы.

Активная зона первого из названных реакторов представляет собой емкость, в которой находится вода и погруженные в нее сборки (блоки) тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Эти элементы состоят из сердечника (ядерное топливо в виде чистого металлического урана или плутония, сплавов этих металлов с алюминием и др.) и оболочки, обладающей большой механической прочностью, высокой коррозионной и термической стойкостью, устойчивостью в интенсивном нейтронном потоке (сплавы алюминия и циркония и др.).

Вода первого водяного контура, непрерывно поступающая в реактор, протекает через его активную зону, и, забирая тепло от ТВЭЛов, выходит в парогенератор, где передает полученное тепло воде второго контура, не протекающей через активную зону и не представляющей поэтому опасности с точки зрения радиоактивного излучения. Вода второго водяного контура в результате передачи ей тепла от воды первого контура превращается в пар, так как давление воды первого контура, а следовательно, и температура парообразования выше, чем давление и температура парообразования второго контура.

Пар, образовавшийся в парогенераторе, поступает в турбину, а затем в конденсатор, где конденсируется, возвращается в парогенератор, и цикл повторяется.

Активную зону водо-водяного реактора размещают в прочном корпусе из высококачественного металла с биологической защитой, выполненной в виде слоя бетона толщиной до нескольких метров.

Ведутся работы по увеличению мощности ядерных реакторов, дальнейшему освоению реакторов на быстрых нейтронах.

АЭС вырабатывают сегодня в России 16% от всего производства электроэнергии.

Разновидностью ТЭС являются электростанции, использующие газовые турбины мощностью до 100−150 МВт. Они носят название газотурбинных электростанций (ГТЭС). В качестве рабочего тела (вместо пара) в них служит смесь продуктов сгорания топлива (природный или искусственный газ, получаемый сжиганием твердого топлива любого вида по особой технологии) с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. На ГТЭС теплота газов преобразуется в энергию вращения ротора газовой турбины, соединенной с трехфазным синхронным генератором, которая по конструкции и принципу преобразования энергии не отличается от паровой.

КПД работы турбин ГТЭС при высоких температурах рабочего газа составляет около 30%. Они более компактны, чем паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания аналогичной мощности. ГТЭС применяются в основном в качестве собственных автономных электростанций крупных нефтехимических, газовых и химических предприятий.

В настоящее время на ТЭС и ТЭЦ наряду с паротурбинными установками (ПТУ) получают распространение парогазовые установки (ПГУ), работающие по комбинированной схеме.

В первой ступени ПГУ с газовой турбиной в качестве первичного источника энергии и рабочего тела используется природный газ, а вторичным рабочим телом являются продукты сгорания. Во второй ступени источником энергии служат выхлопные газы турбины, а рабочим телом пар, генерируемый в парогенераторе с их помощью. За счет реализации такой схемы на ТЭЦ увеличивается средняя температура подвода и уменьшается средняя температура отвода теплоты, что приводит к росту производимой полезной работы и КПД до 52%.

На долю тепловых электрических станций (КЭС и ТЭЦ) приходится 68−70% всей вырабатываемой в России электрической энергии.

На гидравлических электростанциях (ГЭС) электрическая энергия получается в результате преобразования потенциальной энергии водного потока.

ГЭС имеет плотину, перегораживающую в выбранном месте русло реки. В результате образуется разность уровней воды в верховой и низовой (по течению) сторонах плотины. Часть реки выше плотины (водохранилище) носит название верхнего бьефа, а часть реки ниже плотины — нижнего бьефа. Разность уровней верхнего и нижнего бьефов создает необходимый напор. Вода, перетекая с верхнего уровня на нижний по турбинным трубопроводам или по каналам в теле плотины, отдает механическую энергию лопастям гидротурбины, приводя во вращение ее ротор и ротор соединенного с ним синхронного трехфазного генератора. Последний вырабатывает электрическую энергию.

К достоинствам ГЭС относятся высокий КПД, достигающий 85−90%.

В настоящее время в России используется всего около 20% гидроэнергетического потенциала, причем в Европе примерно — 50%. Выработка электроэнергии ГЭС в последнее время сохраняется на уровне 14−15% от общей выработки электроэнергии России.

К наиболее мощным гидроэлектростанциям мира в России относятся: Саяно-Шушенская (р.Енисей) 6400 МВт; Красноярская (р.Енисей) 6000 МВт; Братская (р. Ангара) 4500 МВт.

В последние годы проявляется значительный интерес к использованию энергетического потенциала малых рек и строительству на них ГЭС малой мощности от нескольких десятков кВт до 5−10 МВт. Однако этот энергетический потенциал используется только на 5−7%.

Геотермальная тепловая электростанция (ГеоТЭС) отличается от обычной ТЭС отсутствием в ней котельного оборудования. Работа ГеоТЭС основана на непосредственном использовании термальных вод, представляющих собой в ряде случаев пароводяную смесь. При этом конденсационная турбина работает на отсепарированном паре, для чего в схеме имеется сепаратор, разделяющий смесь, поступающую из скважины, на пар и воду.

В нашей стране успешно работает опытно-промышленная Паужетская (Камчатка) ГеоТЭС, оснащенная двумя турбинами по 2,5 МВт каждая. В 2003 г. запущена геотермальная электростанция в районе вулкана «Горелый» (мощность 50 МВт, температура пароводяной смеси 320 °C, сброс отработанной воды и пара — в землю). ГеоТЭС будут применяться на месторождениях термальных вод на Камчатке, Курильских островах, Северном Кавказе, в Западной Сибири.

Использование энергии ветра для получения электроэнергии широко используется за рубежом.

Сегодня разрабатываются два основных направления: сооружение относительно небольших автономных ветровых электростанций (ВЭС), предназначенных для питания отдельных потребителей, и мощных ВЭС, работающих на электроэнергетические системы.

Принцип использования ветровой энергии прост, при этом ветровой поток, воспринимаемый лопастями ветрового колеса, определяется лишь его диаметром и не зависит от числа лопастей.

В конце прошлого века в США, Канаде, ФРГ, Дании и других государствах были сданы в эксплуатацию несколько опытных ВЭС мощностью от 2 до 4 МВт.

Сегодня в России в эксплуатации находятся более 10 тыс. ветровых установок в основном малой мощности (1−10 кВт). Кроме того, совместно с Данией в Калининградской области сооружается в море 20 ветроустановок по 225 кВт каждая.

Под Элистой ведется строительство ветровых электростанций — намечено сооружение 22 агрегатов мощностью по 1 МВт (высота мачты каждого 48 м, диаметр рабочего колеса 53 м). КПД ВЭС может доходить до 40% и более при сроке службы до 25 лет.

Широкое применение ВЭС повысит надежность электроснабжения и позволит уменьшить расход органического топлива. При этом сократится загрязнение окружающей среды за счет сокращения количества топлива, сжигаемого на ТЭС.

Работающие и строящиеся солнечные электростанции (СЭС) имеют центральный приемник (солнечная башня). Вокруг солнечной башни, на которой устанавливается парогенератор (солнечный котел), расположены зеркала (гелиоконцентраторы), вращающиеся вслед за солнцем и отражающие солнечные лучи на вершину башни. Поворот гелиоконцентраторов по азимуту и по высоте за солнцем осуществляется электроприводом с микропроцессорным управлением. Солнечные лучи нагревают поверхность парогенератора, а генерируемый пар используется для выработки электроэнергии в турбоагрегате, установленном у подножия башни.

Солнечный парогенератор СЭС (мощность 5 МВт), построенной в Крыму, расположен на башне высотой 70 м и обогревается отраженными солнечными лучами с помощью 1600 плоских зеркальных гелиоконцентраторов (площадь каждого из них 25 м). Он снабжен системой аккумулирования тепловой энергии, заполняемой водой, нагретой до кипения частью генерируемого пара. При прекращении выработки пара во время пасмурной погоды и ночью эта система вступает в работу. КПД Крымской СЭС составляет 32%. Солнечные электростанции размещаются в районах, где интенсивность солнечной радиации достаточно высока и стабильна.

Основной недостаток солнечных электростанций (перебои в работе в ночное время и при непогоде) можно компенсировать, используя системы с резервным источником электроэнергии (например, сочетание СЭС с ГТЭС). Широкое применение СЭС сдерживается пока еще высокой стоимостью строительства, низкими экономическими показателями и зависимостью работы от климатических условий и времени суток.

На долю электростанций вырабатывающих электроэнергию, с использованием возобновляемых источников энергии, приходятся только 0,1−0,5% от вырабатываемой электрической энергии в стране.