Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 25 » Обзор энергетики.
12:31
Обзор энергетики.

В ходе эволюции  человеческого общества развитие промышленности и энергетики всегда сопряжено с желанием человека переложить тяжелый труд на бессловесные механизмы. Все начиналось с ветряных мельниц и водяного колеса для привода точильного камня, затем эпоха паровых машин, и вот, в конце 19-го века, началась эра электричества. Для получения электричества необходимы три основных компонента: источник двигательной энергии, преобразователь этой энергии во вращательное движение вала, и преобразователь вращательной энергии в электрическую – электрогенератор. Здесь мы кратко рассмотрим основные не химические источники энергии для этого процесса.

Первый, и самый древний, это ветряной. Известно множество разновидностей ветродвигателей для энергетических установок, от небольшого двухлопастного ветряка дачника, до огромных пропеллероподобных установок на сотни киловатт. Киловатт – стандартная единица мощности электрических установок, используют также мегаватт, один ватт равен работе, соответствующей один джоуль в секунду. То есть, электродвигатель мощностью в 1 кВт за одну секунду преобразует в механическую работу количество энергии, необходимое для нагрева 1 литра воды на 1оС, или для испарения примерно 8-10 мл воды. Для сравнения, обычная плитка-конфорка имеет мощность в 1-1,2 кВт, то есть, электростанция в 100 МВт, при полной мощности работы может приводить в действие до ста тысяч электроплиток. Или 40 тысяч деревообрабатывающих токарных станков. Или один миллион стандартных бытовых лампочек систем освещения.

Основной недостаток ветрогенераторной установки состоит в необходимости подъема рабочей части на большую высоту. Оригинальное решение этой проблемы было предложено несколько лет назад (журнал "Популярная механика”). Для электропитания полярных станций и небольших поселков в труднодоступной местности предложили использовать привязной аэростат в форме обтекаемой трубы, внутри трубы, как в водомете катера, расположен пропеллер электрогенератора. Сам аэростат выполнен из тонких алюминиевых листов и наполнен гелием. За счет большой высоты подъема (100-300 метров) и направляюще-концентрирующего действия трубы, эффективность генератора повысилась в несколько раз по сравнению с аналогичной установкой, расположенной на мачте высотой в 20-40 метров.

Кроме того, непостоянство силы и направления ветра делает необходимым автоматический поворот рабочей части в направлении ветра. При этом, желательно иметь большой запас мощности или дополнительный источник питания, для покрытия падения напряжения на время ослабления ветра. Эти недостатки сильно ограничивают возможности использования ветрогенераторов.

Из преимуществ ветрогенераторов следует отметить: низкую себестоимость производимой электроэнергии (правда, только в регионах с достаточно сильным ветром) и высокую экологическую безопасность. По поводу последнего имеются разные суждения. Сравнительно недавно, в конце 90-х годов прошлого века, европейские ученые обнаружили, что ультразвук, производимый лопастями ветрогенераторов, воздействует на сердечную деятельность млекопитающих и других высших животных. Способ устранения этой проблемы был предложен незамедлительно: установить рабочую часть в форме спирали (аналог шнека мясорубки или водометной турбины) внутрь направляющей трубы. Такой двигатель не производит вредных шумов, имеет на 4-7% более высокий КПД и более плавный ход.

Другая дилемма экологов, по поводу ветряной энергетики, связана с попаданием птиц на лопасти ветродвигателей. Данная проблема существует для больших скоплений ветряков солидного диаметра (3 метра и более). Также, в случае сезонных миграций птиц, ветряные электростанции могут оказаться у них на пути. Решений этой проблемы не так уж и много. Основные состоят в установке на лопастях ветряков небольших закрылков, производящих неприятный для птиц шум (на людей этот шум тоже действует, вызывая тревогу, беспокойство и чувство дискомфорта), что отпугивает их от электростанция. Второе решение заключается в учете путей миграции птиц при строительстве ветряных электростанций. Третий способ состоит в разнесении ветряков на значительно расстояние один от другого. Все три метода применимы, последние два в любом случае и в любых комбинациях, первый только если другие методы не могут дать положительных результатов, или, если поблизости нет населенных пунктов.

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются практически ровесниками ветряных электростанций и имеют сходные плюсы и минусы. Основные плюсы связаны также с экологической безопасностью и низкой себестоимостью электроэнергии, а недостатки с трудностями возведения, сезонной зависимостью от природных факторов (паводки, сезоны дождей и др.) и особенностями выбора места возведения.

Трудности возведения заключаются в необходимости больших капиталовложений сразу (в 3-6 раз больше, чем для строительства ТЭС той же мощности), зато потом стоимость содержания ниже в 5-10 раз, из-за отсутствия необходимости покупки топлива. Поэтому, может показаться, что стоит строить большие и долговечные станции, что бы они себя максимально оправдывали. Это правда только наполовину: долговечные – да, большие – нет. Это связано с особенностью гидродинамики рек и спецификой водных ресурсов.

ГЭС стоит возводить на горных, быстрых реках с минимальной температурой воды. Тогда, и стоимость возведения минимальна, и вред для экологии и земельного хозяйства региона минимален. Да и проблем с напором воды не будет. Проблема в том, что горные, холодные реки с каменистыми берегами, как правило, очень невелики по размеру (и далеко не всегда "имеются под рукой”). Два-три метра глубиной и 30-50 метров шириной, но, за счет большой скорости течения, ГЭС на этой реке даст такую же мощность, как и на вдвое более крупной равнинной реке. При, в 1,5-2 раза меньшей стоимости возведения, за счет меньшей высоты плотины, отсутствия необходимости укрепления берегов и строительства защиты дна от размыва (меньше высота падения воды, как при спуске во время паводков, так и при работе).

Экологические проблемы строительства ГЭС связаны с "цветением воды”, поражением рыбы, размывам плодородных земель, повышением влажности в регионе и др. Но, эти недостатки характерны для равнинных ГЭС.

Другой пример экологически безопасных электростанцийатомные (АЭС). Принцип работы АЭС основан на делении тяжелых ядер в ходе цепной реакции. При этом выделяется много энергии, которая отводится из реактора при помощи теплоносителя (натрий, вода, водород, гелий и др.), каждый теплоноситель имеет свои преимущества и недостатки, но пока мы не будем на них останавливаться.

Основные преимущества АЭС связаны с отсутствием вредных выбросов в атмосферу, мобильностью топлива (один вагон стержней для реактора (ТВЭЛов) содержит 300 кг уранового топлива, которые могут заменить несколько сотен тысяч вагонов угля), малая зависимость от климатических условий региона. Основная область применений АЭС – отдаленные регионы (особенно холодные, в Швеции и Норвегии около 45% всей электроэнергии вырабатывается на АЭС), а также, крупные потребители электроэнергии там, где по разным причинам, нецелесообразно возводить крупные электростанции другого типа.

До относительно недавнего прошлого, основным недостатком АЭС считался риск выбросов радиоактивных материалов в окружающую среды. На сегодняшний день, такой проблемы практически нет (хотя, утверждать ни кто не берется, после аварии на Фукусиме-1), так как, в себестоимости строительства современной АЭС почти 50% капитала затрачивается на аварийные системы автоматики и защитные конструкции систем безопасности. Поэтому, вероятность существенной аварии на современной АЭС, не на много больше вероятности того, что на Вас прямо сейчас упадет самолет. Другой вопрос, что большинство ныне действующих электростанция построены в интервал 1960-1990-е годы, что не очень хорошо. Для обновления этого фонда потребуются астрономические суммы средств и 20-30 лет времени.

Что же касается фоновых выбросов современной АЭС, выбросы радиации в несколько раз ниже, чем на среднестатистической ТЭС, работающей на угле. Выгляньте в окно, Вы, скорее всего увидите на горизонте минимум одну трубу ТЭС (если Вы живете в крупном городе со стандартной энергетической индустрией). Если бы на ее месте стояла АЭС, Вы получали бы в разы меньше радиации, чем сейчас. При этом, ТЭС выбрасывает еще и углекислый газ, угарный газ, сажу и другие токсичные вещества.

Единственные проблемы широкого распространения АЭС состоят в нерентабельности строительства небольших АЭС (до 100-150 МВт), и ограничения распространения ядерного оружия (то есть, чисто политические мотивы).

Еще один интересный тип электростанций – солнечные. Данный тип существует уже почти 90 лет, но, пока не получил широкого распространения. Во-первых, это связано с работой солнечных батарей только в светлое время суток, во-вторых, необходимо следить за чистотой панелей (то есть, сборок) солнечных элементов. Кроме того, и это основная проблема, солнечные элементы имеют высокую себестоимость, что связано с необходимостью высокой очистки полупроводникового элемента, ничтожной толщиной его нанесения на проводящую подложку, прочностью крепления на подложке и др.

Себестоимость производства солнечных элементов за последние 50 лет, снизилась примерно в 20 раз, но, этого недостаточно для их широкого использования в энергетике. Было найдено интересное конструктивное решение, использование параболического (в форме полусферы) отражателя из алюминиевой фольги или другого материала, при размещении оптических элементов в центральном приемнике (как у спутниковых антенн). Такая конструкция позволяет повысить эффективность использования солнечных элементов и работать при небольшой освещенности, но эту конструкцию желательно поворачивать вслед солнцу, иначе она будет эффективна лишь 2-3 часа в сутки.

Кроме вышеперечисленных систем, существуют еще геотермальные, безнапорные ГЭС, приливные, в перспективе, термоядерные и др. типы электростанций. Подводя итог, можно сказать, что все разновидности электростанций имеют право на существование, но каждая в каком-то конкретном случае. Так как, у каждой свои преимущества, недостатки и область применения.

Категория: Топливо и энергетика | Просмотров: 1081 | Добавил: Chemadm | Теги: Альтернативная энергетика, типы электростанций, экология | Рейтинг: 4.7/30
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]