Реферат: Получение и использование электрической энергии

Атомные электростанции (АЭС)

В 30-е годы XX века известный ученый И.В. Курчатов обосновывал необходимость развития научно-практических работ в области атомной техники в интересах народного хозяйства страны.

В 1946 г. в России был сооружен и запущен первый на Европейско-Азиатском континенте ядерный реактор. Создается уранодобывающая промышленность. Организовано производство ядерного горючего - урана-235 и плутония-239, налажен выпуск радиоактивных изотопов.

В 1954 г. начала работать первая в мире атомная станция в г. Обнинске, а через 3 года на океанские просторы вышло первое в мире атомное судно - ледокол "Ленин".

Начиная с 1970 г. во многих странах мира осуществляются масштабные программы развития ядерной энергетики. В настоящее время сотни ядерных реакторов работают по всему миру.

В случае безаварийной работы атомные электростанции не производят практически никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Хоть и в результате работы АЭС образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность. Однако объем радиоактивных отходов очень мал, они весьма компактны, и их можно хранить в условиях, гарантирующих отсутствие утечки наружу.

АЭС экономичнее обычных тепловых станций, а, самое главное, при правильной их эксплуатации - это чистые источники энергии.

Источником энергии в существующих сегодня АЭС служат ядра тяжелых химических элементов, которые при распаде на части высвобождают огромную (в сравнении с химическими источниками энергии) удельную энергию. При распаде одного килограмма ядер урана выделяется столько энергии, сколько при сгорании примерно двух с половиной тысяч тонн угля. Эта энергия появляется в основном в виде кинетической энергии осколков ядер.

Однако у электростанций, работающих на ядерном топливе, есть некоторая особенность. Эта особенность заключается в том, что ядерное топливо не может быть израсходовано в реакторе полностью, как расходуется обычное химическое топливо. Последнее, как правило, сжигается в топке до конца. Возможность протекания химической реакции практически не зависит от количества вступающего в реакцию вещества. Ядерная же цепная реакция не может идти, если количество топлива в реакторе меньше определенного значения, называемого критической массой. Уран в количестве, составляющем критическую массу, не является топливом в собственном смысле этого слова. Выгорать может лишь та часть топлива, которая загружается в реактор сверх критической массы. Таким образом, ядерное топливо в количестве, равном критической массе, служит своеобразным катализатором процесса, обеспечивает возможность протекания реакции, не участвуя в ней. Естественно, что топливо в количестве, составляющем критическую массу, физически неотделимо в реакторе от выгорающего топлива. В тепловыделяющихся элементах, загружаемых в реактор, с самого начала помещается топливо как для создания критической массы, так и для выгорания. Значение критической массы неодинаково для различных реакторов и в общем случае оно относительно велико. Так, для серийного отечественного энергетического блока с реактором ВВЭР-440 мощностью в 440 МВт критическая масса урана составляет 700 кг. Это соответствует количеству угля около 2 млн. тонн. И ни один килограмм от этой критической массы не может быть израсходован.

В состав ядер входят протоны и нейтроны. Между нуклонами есть два вида взаимодействий – электромагнитное и ядерное. Ядерное взаимодействие проявляется на очень малых расстояниях. Это расстояние мало в сравнении с размерами самих атомов. Относительные величины сил кулоновского отталкивания и сил ядерного взаимодействия сильно отличаются. Внутри ядра ядерные силы примерно в 100 раз интенсивнее, чем электрические, поэтому ядерное взаимодействие еще называют сильным взаимодействием. Потенциальная энергия взаимодействующих в ядре протонов и нейтронов отсчитывается от того состояния, когда все составляющие ядро части находятся далеко друг от друга. Потенциальная энергия и стабильных и радиоактивных ядер отрицательна, причем ее отрицательность обеспечивается сильным взаимодействием. Если разделить полную потенциальную энергию ядра на количество нуклонов, то каждое ядро может быть охарактеризовано удельной отрицательной потенциальной энергией. Можно сказать, что каждый нуклон в составе ядра находится в глубокой потенциальной яме.

Потенциальной ямой называется ограниченная область пространства, в которой потенциальная энергия частицы меньше, чем вне её. Термин "потенциальная яма" происходит от вида графика, изображающего зависимость потенциальной энергии частицы, находящейся в силовом поле, от её положения в пространстве (в случае одномерного движения - от координаты. Основное свойство потенциальной ямы – способность удерживать частицу, полная энергия которой меньше глубины ямы, т.е. потенциальной энергии вне частицы; такая частица внутри потенциальной ямы будет находиться в связанном состоянии).

Эта удельная потенциальная энергия зависит от количества протонов и нейтронов в ядре. Для ядер химических элементов, соответствующих середине таблицы Менделеева – железо, никель, кобальт, глубина потенциальной ямы для каждого нуклона самая большая. Ядерные реакции, приводящие к выделению энергии. Разная удельная глубина потенциальной ямы для нуклонов, входящих в состав разных ядер, обеспечивает возможность получения энергии при ядерных превращениях. Например, при слиянии ядер химических элементов, находящихся в начале таблицы Менделеева, глубина потенциальной ямы для нуклонов во вновь полученных ядрах увеличивается, следовательно, при слиянии легких ядер выделяется энергия, причем в основном в виде электромагнитного излучения. Этот способ получения энергии реализован в водородной бомбе. Для того, чтобы легкие ядра приблизились друг к другу настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы нужно привести их в движение с огромными скоростями. Тогда при столкновениях ядер их кинетической энергии будет достаточно, чтобы преодолеть потенциальный барьер, созданный электрическими силами отталкивания. В водородной бомбе процесс выделения энергии при синтезе более тяжелых ядер из легких неуправляем. Если ученым удастся найти надежный и дешевый способ управления реакцией слияния легких ядер, то в распоряжении человечества окажется практически неисчерпаемый источник энергии. Второй путь получения энергии связан с распадом ядер тяжелых химических элементов на осколки, которые становятся ядрами химических элементов, соответствующих середине таблицы Менделеева. Возможность самопроизвольного распада ядер тяжелых элементов существует, но вероятность этого процесса невелика, поэтому ядра урана – 235 и урана – 238 «живут» очень долго. Вследствие самопроизвольного распада половина от большого числа ядер урана– 235 распадается за 1 миллиардов лет, а урана – 238 за 7 миллиардов лет.

Однако, если в ядро урана – 235 добавить один лишний нейтрон, то вновь образованное ядро оказывается в возбужденном состоянии. Такое состояние является неустойчивым (радиоактивным). Один из путей перехода ядра из этого возбужденного состояния в более устойчивое состоит в том, что через очень небольшое время ядро распадается на два осколка. В ядрах–осколках соотношение между числом протонов и числом нейтронов нетипично для стабильных изотопов (природных ядер) нейтроны находятся в избытке. Ядра – осколки могут быть радиоактивными или испускать свои «лишние» нейтроны. Появление в результате распада ядер новых нейтронов обуславливает возможность осуществления положительной обратной связи: чем больше начальных нейтронов поглотится ядрами, тем больше произойдет распадов неустойчивых ядер, в результате этих распадов появляется еще большее количество нейтронов, которые опять поглощаются ядрами, а эти ядра в свою очередь распадаются на осколки, рождая еще большее количество нейтронов. Такая реакция носит название цепной разветвляющейся реакции. Цепь реакций может оборваться, если нейтрон покинет область, в которой имеются ядра урана, или если он будет поглощен каким-нибудь другим ядром. Первый из этих двух механизмов торможения цепной реакции используется в урановой – 235 или плутониевой – 239 ядерной бомбе. До приведения урана –235 в урановой бомбе в боевое состояние размеры уранового заряда велики. Поэтому нейтроны, образующиеся при самопроизвольных распадах ядер, не поглощаются другими ядрами урана а покидают область расположения урана. Цепная реакция гаснет, не успев развиться. С помощью обычного химического взрыва урановый заряд «обжимают» со всех сторон и удерживают под давлением короткое время. Размеры области, занятой ураном, становятся после «обжатия» достаточными для развития цепной ядерной реакции. За короткое время порядка 0,1 микросекунды часть ядер урана (примерно 1% от общего числа) успевает развалиться и выделить колоссальную энергию. Остальные атомы урана, не успев прореагировать, разлетаются вследствие возрастания температуры и давления. В урановой бомбе происходит неуправляемое выделение энергии.

Ученые научились управлять скоростью цепной ядерной реакции. Самым важным моментом здесь является то обстоятельство, что не все ядра «разваливаются» сразу. Те осколки, что «разваливаются» за время меньшее 10^-3 секунды, производят так называемые «мгновенные» нейтроны. Однако часть продуктов распада ядер урана в свою очередь распадаются с испусканием нейтронов после 10^-3 секунд. При этих распадах появляется всего около 0,7 % «запаздывающих» нейтронов от общего количества. Именно наличие этих «запаздывающих» нейтронов и дает возможность регулировать скорость цепной реакции. Важную роль в этом регулировании играет поглощение нейтронов ядрами некоторых атомов. Рядом с урановыми стержнями помещают стержни из материала, содержащего атомы кадмия, поглощающие нейтроны в сотни раз эффективнее, чем уран. Стержни можно механически перемещать и, таким образом, регулировать скорость течения цепной реакции.

В ядерных реакторах энергия распада ядер урана преобразуется в электрическую энергию. После распада ядра кинетическая энергия осколков ядер переходит в тепловую энергию материала, загруженного в реактор. Плотность тепловыделения в энергетических ядерных реакторах достигает сотен кВт на литр объема активной зоны. Эта энергия с помощью жидкости, протекающей по трубам внутри рабочей зоны реактора, переносится в теплообменники. Здесь она используется для того, чтобы нагреть и превратить в пар воду. Водяной пар направляют в турбину. Расширяясь и совершая работу по вращению турбины пар охлаждается. Турбина, в свою очередь, двигает ротор-магнит. Электрический же ток производится благодаря явлению электромагнитной индукции — возникновению электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. При вращении ротора-магнита в витках окружающего его статора появляется электрический ток. Далее остается только “снять” напряжение с обмоток и передать его в линию для снабжения внешних потребителей. Обеспечивается этот процесс большим количеством производящих, контролирующих, управляющих установок, приборов, механизмов, которые жестко, продуманно и эффективно связаны в единую технологическую цепочку. Чтобы циклически использовать одну и ту же воду, отработавший пар охлаждают в теплообменниках второго контура циркуляции и вновь направляют к теплообменникам первого контура. Таким образом, ядерный реактор представляет собой тепловую машину, в которой нагревателем служит уран в рабочей зоне, а холодильником обычно служит вода протекающей мимо электростанции реки. Горячая вода частично направляется на обогрев домов и производственных помещений в городках при АЭС. Коэффициент полезного действия такой тепловой машины, преобразующей тепловую энергию в электрическую, обычно не превышает 30%. По этому показателю атомные электростанции ничем не отличаются от обычных тепловых электростанций.

Многие АЭС похожи по конструкции здания. Главным сооружением АЭС является энергоблок. Именно внутри него размещается "сердце" атомной станции - реактор вместе с необходимым для его работы оборудованием. Поэтому строительные конструкции удовлетворяют строжайшим требованиям надежности. В частности, оборудование и корпус здания рассчитаны и построены так, чтобы безопасно выдержать землетрясения в несколько баллов. Энергоблок проектируется и строится как самостоятельный объект, отвечающий всем требованиям обеспечения надежной, безотказной и безопасной работы смонтированного в нем энергетического и вспомогательного оборудования. В его состав входят:

• Реакторное отделение;

• Машинный зал;

• Деаэраторная этажерка (предназначена для удаления газов из теплоносителя);

• помещения электротехнических устройств.

Реактор размещается в герметичной цилиндрической оболочке. Этот герметичный цилиндр находится внутри обстройки. С обстройкой, окружающей оболочку реактора, соединяется здание машинного зала.

Существует два типа реакторов корпусный и канальный. Корпусной реактор − это реактор активная зона, которого заключена в прочный корпус. Теплоноситель в корпусном реакторе чаще всего выполняет функции замедлителя (обычная или тяжёлая вода, органические жидкости). Конструктивно корпусной реактор обычно представляют собой цилиндрический сосуд с крышкой, внутри которого размещена выемная конструкция с активной зоной. Теплоноситель поступает снизу в активную зону, которая состоит из тепловыделяющих кассет. В активной зоне перемещаются управляющие стержни, приводы которых имеют герметичный вывод в крышке или днище корпуса. Отвод нагретого теплоносителя осуществляется через патрубки в верхней части корпуса. Канальный реактор состоит из системы отдельных каналов, пространство между которыми заполнено замедлителем нейтронов. Тепловыделяющие элементы с ядерным топливом размещаются внутри каждого канала и охлаждаются индивидуальным потоком теплоносителя. Подвод и отвод теплоносителя в канале осуществляется по трубопроводам. Канальные реакторы из-за конструктивных особенностей принципиально не имеют ограничений размеров активной зоны, что при намечающейся тенденции увеличения единичных мощностей реакторов выгодно отличает их от корпусных реакторов, для которых увеличение мощности и соответственно размеров активной зоны сопряжено с трудностями в изготовлении, транспортировке и монтаже больших корпусов. Разделение теплоносителя и замедлителя в канальном реакторе обеспечивает хороший баланс нейтронов и эффективный теплосъём в активной зоне. Это достигается соответствующим подбором вещества замедлителя и теплоносителя. В канальных реакторах с помощью специальных машин возможна перегрузка топлива на ходу, т. е. без остановки и охлаждения реактора, что улучшает экономические показатели энергетической установки и обеспечивает бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией. Наличие активной зоны, состоящей из отдельных каналов, позволяет организовать индивидуальный контроль за состоянием каждой топливной сборки и в случае повреждения произвести её немедленную замену. Однако, ввиду значительных размеров активной зоны канального реактора, её удельная нагрузка в несколько раз ниже, чем, например, в корпусных реакторах, и обычно не превышает в среднем 15 кВт на 1 л активной зоны. Наличие разветвленной сети трубопроводов, подводящих и отводящих теплоноситель к каналам реактора, усложняет его компоновку и обслуживание и увеличивает вероятность возникновения неплотностей и течей, а соответственно и аварийной ситуации.

С экономической точки зрения атомные электростанции очень выгодны. Чтобы обеспечить работу одного энергоблока мощностью в тысячу мегаватт нужно, чтобы в рабочей зоне за год распалось примерно 1200 кг ядер урана. Если АЭС должна работать около 30 лет, то всего за время ее эксплуатации «сгорит» около 36 тонн урана – 235. В один такой энергоблок загружается около 180 тонн обогащенного уранового горючего. Обогащение составляет 1,8%, то есть от всего количества урана только 1,8% составляет уран – 235. Итак, в реакторе находится около 3 тонн урана – 235, а всего сгорает 36 тонн. Значит, на АЭС регулярно происходит частичная перезагрузка топлива, тепловыделяющие элементы заменяют. Используется, однако, только около 1,5% всего урана, то есть даже не весь уран – 235 «сгорает». Стоимость 1 кг чистого урана в 1985 году была около $ 40. Обогащение стоит еще около $100. Изготовление тепловыделяющих элементов обходится примерно в $ 300. Стоимость одного энергоблока на 1000 МВт составляла в те же годы около 2 миллиардов долларов. Стоимость самого урана при начальной загрузке составляла только 4% от общей стоимости блока. Десятикратная замена тепловыделяющих элементов увеличивает расходы до 2,8 миллиарда долларов. Если стоимость 1 киловатт часа электроэнергии равнялась $0,1, то за время своей эксплуатации энергоблок АЭС должен был произвести электроэнергии на 30 миллиардов долларов. Таким образом, АЭС окупает себя десятикратно.

В конечном итоге можно сделать следующие выводы:

Факторы "За" атомные станции:

1. Атомная энергетика является на сегодняшний день лучшим видом получения энергии. Экономичность, большая мощность, экологичность при правильном использовании.

2. Атомные станции по сравнению с традиционными тепловыми электростанциями обладают преимуществом в расходах на топливо, что особо ярко проявляется в тех регионах, где имеются трудности в обеспечении топливно-энергетическими ресурсами, а также устойчивой тенденцией роста затрат на добычу органического топлива.

3. Атомным станциям не свойственны также загрязнения природной среды золой, дымовыми газами с CO₂, NO_х, SO_х, сбросными водами, содержащими нефтепродукты.

4.Возможность размещения в необеспеченных энергоресурсами районах страны.

Факторы "Против" атомных станций:

1. Ужасные последствия аварий на АЭС.

2. Локальное механическое воздействие на рельеф - при строительстве.

3. Повреждение особей в технологических системах - при эксплуатации.

4. Сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты.

5. Изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АЭС.

6. Изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов.

Генераторы переменного тока

В 1820 году было открыто взаимодействие между электрическим током, протекающим в проводнике, и магнитной стрелкой. Это явление было правильно объяснено и обобщено французским физиком Ампером, который установил, что магнитные свойства любого тела являются следствием того, что внутри него протекают замкнутые электрические токи. Таким образом, любые магнитные взаимодействия можно рассматривать как следствия электрических. Однако, если электрический ток вызывает магнитные явления, естественно было предположить, что и магнитные явления могут вызвать появление электрического тока. Долгое время физики в разных странах пытались обнаружить эту зависимость, но терпели неудачу. В самом деле, если, рядом с проводником или катушкой лежит постоянный магнит, никакого тока в проводнике не возникает. Но если начать перемещать этот магнит: приближать или удалять его от катушки, вводить и вынимать магнит из нее, то электрический ток в проводнике появляется, и его можно наблюдать в течение всего того периода, во время которого магнит движется. То есть электрический ток может возникать только в переменном магнитном поле.

Впервые эту важную закономерность установил в 1831 году английский физик Майкл Фарадей.

Майкл Фарадей родился в Лондоне в семье кузнеца. Мальчик смог получить лишь начальное образование. С двенадцати лет он работал, сначала разносчиком газет, затем подмастерьем в переплетной мастерской. Однако недостаток знаний Фарадей компенсирует самообразованием. Благодаря счастливой случайности юноша попадает в поле зрения известного химика Г. Дэви, который делает Фарадея своим ассистентом в Королевском институте (1813 г.).Главное научное достижение Фарадея в химии – методика сжижения газов. Опыты, проведенные Фарадеем в 1823 г., положили начало новому научному направлению – физике низких температур. Очень быстро Фарадей обогнал в искусстве эксперимента своего научного руководителя Дэви, что позднее было причиной многих трений между ними.

В 1821 г. Фарадей начал заниматься электрическими и магнитными явлениями. Он считал очевидным, что если ток в проводе создает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку, если проводник с током движется в магнитном поле, то должно быть верно и обратное – магнитное поле должно создавать ток в проводнике. В течение многих лет Фарадею не удавалось доказать это экспериментально, так как он не понимал, что для возникновения тока важно относительное движение магнита и провода. Однажды почти случайно он заметил, что в момент вхождения магнита в катушку стрелка гальванометра отклоняется. Так был открыт закон электромагнитной индукции. На окончательную его формулировку (1831 г.) потребовалось десять лет напряженных исследований.

Все свои работы по электромагнетизму Фарадей в течение двадцати пяти лет представлял в виде докладов-серий в Лондонское королевское общество. Одно только перечисление полученных им результатов вызывает изумление его гением: открытие явления электромагнитной индукции (1831 г.); открытие законов электролиза (1834 г.); обнаружение поляризации диэлектриков и понятие о диэлектрической проницаемости (1837 г.); экспериментальное доказательство закона сохранения электрического заряда (1843 г.); открытие диамагнетизма и обнаружение явления вращения плоскости поляризации света в веществе, помещенном в магнитное поле (1845 г.); идея об электромагнитной природе света (1845 г.); открытие парамагнетизма (1847 г.).

Величайшей заслугой Фарадея стало то, что он высказал идею об электрическом и магнитном поле. Он не мог математически развить эти идеи, и в его монументальной работе "Экспериментальные исследования электричества" нет ни одного уравнения! Однако именно идеи Фарадея легли в основу уравнений Максвелла. Позднее Эйнштейн говорил, что в развитии электромагнетизма Фарадей по отношению к Максвеллу – то же самое, что в развитии механики Галилей по отношению к Ньютону.

Несмотря на успехи в науке, признание всего мира, Фарадей всю жизнь оставался скромным, очаровательным, простым человеком. Он многократно отказывался от наград и возможного благосостояния, полностью отдаваясь науке и разделяя идеалы закрытой сандеманской религиозной секты, которой он всю жизнь был предан. Он отклонил предложение стать президентом Лондонского королевского общества, а также предложение быть возведенным в дворянство. В завещании Фарадей просил, чтобы его прах покоился под самым простым могильным камнем.

Проведя серию опытов, Фарадей открыл, что электрический ток возникает (индуцируется) во всех тех случаях, когда происходит движение проводников относительно друг друга или относительно магнитов. Если вводить магнит в катушку, или перемещать катушку относительно неподвижного магнита в ней индуцируется ток. Если подвигать одну катушку к другой, через которую проходит электрический ток, в ней также появляется ток. Того же эффекта можно добиться при замыкании и размыкании цепи, поскольку в момент включения и выключения ток нарастает и убывает в катушке постепенно и создает вокруг нее переменное магнитное поле. По­этому если поблизости от такой катушки находится другая, не включенная в цепь, в ней возникает электрический ток. Открытие Фарадея имело огромные последствия для техники и всей че­ловеческой истории, так как теперь стало ясно, каким образом механическую энергию превращать в электрическую, а электрическую обратно в механи­ческую. Первое из этих преобразований легло в основу работы электрогене­ратора, а второе электродвигателя. Впрочем, сам факт открытия еще не означал, что все технические задачи на этом пути разрешены: около сорока лет ушло на создание работоспособного генератора и еще двадцать лет на изобретение удовлетворительной модели промышленного электродвигателя. Но главное: принцип действия двух этих важнейших элементов современной цивилизации сделался очевиден именно благодаря открытию явления элек­тромагнитной индукции.

Первый примитивный электрогенера­тор создал сам Фарадей. Для этого он по­местил медный диск между полюсами N и S постоянного магнита. При вращении диска в магнитном поле в нем наводились электрические токи. Если на периферии диска и в его центральной части помещали токоприемники в виде скользящих контактов, то между ними появлялась разность потенциалов, как на гальванической батарее. Замыкая цепь, можно было наблюдать на гальванометре непрерывное прохождение тока. Установка Фарадея годилась только для демонстраций, но вслед за ней появились первые магнитоэлектрические машины (так стали называть электрогенераторы, в которых использовались постоянные магниты), рассчитанные на создание работающих токов. Самой ранней из них была магнитоэлектрическая машина Пиксии, сконструированная в 1832 году. Принцип ее действия был очень прост: мимо неподвижных, снабженных сердечниками катушек двигались посредством кривошипа и зубчатой передачи лежащие против них полюсы подковообразного магнита, вслед­ствие чего в катушках индуцировались токи. Недостатком машины Пиксии было то, что в ней приходилось вращать тяжелые постоянные магниты. В последующем изобретатели обычно заставляли вращаться катушки, оставляя магниты неподвижными. Правда, при этом приходилось решать другую зада­чу: каким образом отвести во внешнюю цепь ток с вращающихся катушек? Это затруднение, однако, было легко преодолимо. Прежде всего, катушки соединяли между собой последовательно одними концами их проводки. То­гда другие концы могли служить полюсами генератора. Их соединяли с внешней цепью при помощи скользящих контактов. Он устроен следую­щим образом: на оси маши­ны крепились два изолиро­ванных металлических кольца, каждое из которых было соединено с одним из полюсов генера­тора. По окружности этих колец вращались две пло­ские металлические пружины, на которые была заключена внешняя цепь. При таком приспособлении уже не было никаких за­труднений от вращения оси машины ток переходил из оси в пружину в месте их соприкосновения. Еще одно неудобство заключалось в самом харак­тере тока электрогенерато­ра. Направление тока в ка­тушках зависит от того, приближаются они к полю­су магнита или удаляются от него. Из этого следует, что ток, возникающий во вращающемся проводнике, будет не постоянным, а переменным. По мере при­ближения катушки к одно­му из полюсов магнита си­ла тока будет нарастать от нуля до какого-то максимального значения, а затем по мере удаления вновь уменьшаться до ну­ля. При дальнейшем движении ток изменит свое направление на противопо­ложное и опять будет нарастать до какого-то максимального значения, а по­том убывать до нуля. Во время следующих оборотов этот процесс будет повторяться. Итак, в отличие от электрической батареи, электрогенератор соз­дает переменный ток, и с этим приходится считаться. Как известно, большинство современных электрических при­боров созданы таким образом, чтобы питаться от сети перемен­ного тока. Но в XIX веке перемен­ный ток был не удобен по многим причинам, прежде всего психоло­гическим, поскольку в прежние годы привыкли иметь дело с по­стоянным током: Впрочем, пере­менный ток можно было легко преобразовать в прерывистый, имеющий одно направление. Для этого достаточно было с помощью специального устройства коммутатора изменить контакты таким образом, чтобы скользящая пружина переходила с одного кольца на другой в тот момент, когда ток меняет свое направление. В этом случае один контакт постоянно получал ток одного на­правления, а другой противоположного. Не трудно было установить пружину таким образом, чтобы она переходила с одного кольца на другое в тот мо­мент, когда в обмотке катушки менялось направление тока, и тогда каждая пружина все время давала ток одного и того же направления. Другими сло­вами, они представляли из себя постоянные полюса; одна положительный, другая отрицательный, в то время как полюса катушек давали переменный ток. Электрогенератор прерывистого постоянного тока вполне мог заменить неудобную во многих отношениях гальваническую батарею, и потому вызвал большой интерес у тогдашних физиков и предпринимателей. В 1856 году французская фирма «Альянс» даже наладила серийный выпуск больших ди­намо-машин, приводившихся в действие от парового двигателя. В этих гене­раторах чугунная станина несла на себе неподвижно укрепленные в несколь­ко рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные равномерно по окружности и радиально по отноше­нию к валу. В промежутках между ряда­ми магнитов на валу были установлены несущие колеса с большим числом ка­тушек. Также на валу был укреплен кол­лектор с 16-ю металлическими пласти­нами, изолированными друг от друга и от вала машины. Ток, наводимый в ка­тушках при вращении вала, снимался с коллектора при помощи роликов. Одна такая машина требовала для своего при­вода паровой двигатель мощностью 6— 10 л. с. Большим недостатком генерато­ров «Альянс» было то, что в них использовались постоянные магниты. Так как магнитное действие стальных магнитов сравнительно невелико, то для получе­ния сильных токов нужно было брать большие магниты и в большом числе. Под действием вибрации сила этих маг­нитов быстро ослабевала. Вследствие всех этих причин КПД машины всегда оставался очень низким. Но даже с таки­ми недостатками генераторы «Альянса» получили значительное распространение и господствовали на рынке в течение десяти лет, пока их не вытеснили более совершенные машины.

Прежде всего немецкий изобрета­тель Сименс усовершенствовал движущиеся катушки и их железные сердечники. (Эти катушки с железом внутри получили название «якоря» или «арматуры».) Якорь Сименса в форме «двой­ного Т» состоял из железного цилиндра, в котором были прорезаны с противоположных сторон два продольных желоба. В желобах помещалась изоли­рованная проволока, которая накладывалась по направлению оси цилиндра. Такой якорь вращался между полюсами магнита, которые тесно его обхваты­вали. По сравнению с прежними новый якорь представлял большие удобства. Прежде всего, очевидно, что катушка в виде цилиндра, вращающегося вокруг своей оси, в механическом отношении выгоднее катушки, насаженной на вал и вращавшейся вместе с ним. По отношению к магнитным действиям якорь Сименса имел ту выгоду, что давал возможность очень просто увеличить число действующих магнитов, для этого достаточно было удлинить якорь и прибавить несколько новых магнитов. Машина с таким якорем давала гораздо более равномерный ток, так как цилиндр был плотно окружен полюсами магнитов. Но эти достоинства не компенсировали главного недостатка всех магни­тоэлектрических машин — магнитное поле по-прежнему создавалось в гене­раторе с помощью постоянных магнитов. "Перед многими изобретателями в середине XIX века вставал вопрос: нельзя ли заменить неудобные металличе­ские магниты электрическими? Проблема заключалась в том, что электро­магниты сами потребляли электрическую энергию и для их возбуждения тре­бовалась отдельная батарея или, по крайней мере, отдельная магнитоэлек­трическая машина. Первое время казалось, что без них невозможно обойтись. В 1866 году Вильде создал удачную модель генератора, в котором металли­ческие магниты были заменены электромагнитами, а их возбуждение вызы­вала магнитоэлектрическая машина с постоянными магнитами, соединенная с тем же паровым двигателем, который приводил в движение большую ма­шину. Отсюда оставался только один шаг к динамо-машине, ко­торая возбуждает электромагниты своим собственным током.

В том же 1866 году Вернер Сименс открыл принцип самовозбуждения. В январе 1867 году он выступил в Берлинской Академии с докладом «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». В общих чертах его открытие заключалось в следующем. Сименс установил, что в каждом электромагните, после того как намагничивающий ток переставал действовать, всегда оставались небольшие следы магнетизма, которые были способны вызвать слабые индукционные токи в катушке, снабженной сердечником из мягкого магнитного железа и вращавшейся ме­жду полюсами магнита. Используя эти слабые токи, можно было привести генератор в действие без помощи внешних воздействий.

Первая динамо-машина, работавшая по принципу са­мовозбуждения, была созда­на в 1867 году англичанином Леддом, но в ней еще преду­сматривалась отдельная ка­тушка для возбуждения элек­тромагнитов. Машина Ледда состояла из двух плоских электромаг­нитов, между концами кото­рых вращались два якоря Сименса. Один из якорей давал ток для питания элек­тромагнитов, а другой — для внешней цепи. Слабый остаточный магнетизм сердечников электромагнитов сначала возбуждал очень слабый ток в арматуре первого якоря; этот ток обегал электромагниты и усиливал уже имеющееся в них магнитное состояние. Вследствие этого усиливался в свою очередь ток в арматуре, а последний ещё более увеличивал силу электромагнитов. Мало помалу такое взаимное усиление шло до тех пор, пока электромагни­ты не приобретали полной сво­ей силы. Тогда можно было привести в движение вторую арматуру и получить от нее ток для внешней цепи.

Следующий шаг в совер­шенствовании динамо-машины был сделан в том направлении, что совершенно устранили од­ну из арматур и воспользова­лись другой не только для возбуждения электромагни­тов, но и для получения тока во внешней цепи. Для этого нужно было только провести ток из арматуры в обмотку электромагнита, рассчитав все так, чтобы последний мог достичь полной своей силы и направить тот же ток во внешнюю цепь. Но при таком упрощении конструкции якорь Сименса оказывался непригодным, так как при бы­строй перемене полярностей, в якоре возбуждались сильные паразитические токи, железо сердечников быстро разогре­валось, и это могло при боль­ших токах привести к порче всей машины. Необходима была другая форма якоря, бо­лее соответствовавшая новому режиму работы.

Удачное решение про­блемы было вскоре найдено бельгийским изобретателем Зиновием Теофилем Граммом. Он жил во Франции и служил в кампании «Альянс» столярным мастером. Здесь он познакомился с электричеством. Размышляя над усовершенствова­нием электрогенератора, Грамм в конце концов пришел к мысли заменить якорь Сименса другим, имеющим кольцевую форму. Важное отличие коль­цевого якоря в том, что он не перемагничивается и имеет постоянные полюса. Грамм пришел к своему открытию самостоятельно, но надо сказать, что еще в 1860 г. итальянский изобретатель Пачинотти во Флоренции построил электрический двигатель с кольцеобраз­ным якорем; впрочем, это открытие вскоре было забыто. Исходная точка поисков Грамма заключалась в том, чтобы заста­вить вращаться внутри проволочной катушки железное кольцо, на котором наведены магнитные полюсы и таким образом получить равномерный ток постоянного направления.

Генератор Грамма, имеет следующее приспособление. В магнитном поле, образуемом полюсами N магнита, вращаются восемь замкнутых металлических колец, которые прикреплены на равном расстоянии друг от друга к оси при помощи спиц.

Кольцо Грамма состоит из витков вращающейся ка­тушки, плотно намотанной на железное кольцо, в котором ток будет индуцироваться электрический ток. Но обе половинки кольца соединены противоположно друг к другу. Зна­чит, токи с обеих сторон направляются к верхней половине кольца, и там, следовательно, получается положительный полюс. Подобным же образом в нижней точке, откуда берут свое направление токи, будет находиться отри­цательный полюс. Можно, следовательно, сравнить кольцо с батареей, со­ставленной из двух частей, которые соединены между собой противополож­но. Если теперь соеди­нить противоположные концы кольца, то полу­чится замкнутая цепь по­стоянного тока. Но в действительности генератор Грамма имел более сложное устройство, поскольку здесь было налицо несколько техниче­ских затруднений: с одной стороны, для того чтобы снимать ток с кольца, витки обмотки должны быть обнажены, с другой — для получения сильных токов обмотка должна быть намотана плотно и в несколько слоев. Затруднение заключалось в том что было сложно изолировать нижние слои от верхних. На практике кольцо Грамма дополняло особое, довольно сложное устройство, называемое коллектором, которое и служило для отвода токов из обмотки. Коллектор состоял из ме­таллических пластин, прикрепленных к оси кольца и имевших форму секто­ров цилиндра. Каждая пластина тщательно изолировалась от соседних секто­ров и от оси кольца. Концы каждого сектора обмотки были соединены с одной из металлических пластин, а скользящие пру­жины помещались так, что постоянно находились в со­единении с самым верхним и самым нижним секторами обмотки. Из обеих половин обмотки получался постоян­ный ток, направленный к той пружине, которая была со­единена с верхним сектором. Ток обходил верхнюю цепь и возвращался в кольцо через нижнюю пружину. Таким образом, полюса с поверхности самого кольца переместились на его ось, откуда ток было снимать намного проще, в таком виде воплотилась первоначальная модель электрогенератора. Однако она оказалась неработоспособной. Как писал Грамм в воспоминаниях о своем изобретении, тут явилась новая сложность: кольцо, на которое был намотан проводник, сильно разогревалось вследствие того, что здесь тоже при быстром вращении генератора индуцировались токи. В результате пере­грева изоляция то и дело выходила из строя. Ломая голову над тем, как избе­жать этой неприятности, Грамм понял, что железный сердечник якоря нельзя делать сплошным, так как в этом случае вредные токи оказываются слишком большими. Но разбив сердечник на части так, чтобы образовались разрывы на пути возникающих токов, можно было сильно уменьшить их вредное дей­ствие. Этого можно было добиться, изготовив сердечник не из цельного кус­ка, а из проволоки, налагая ее в виде кольца и тщательно изолируя один слой от другого. На это проволочное кольцо затем навивалась обмотка. Каждый сектор якоря представлял собой катушку из многих слоев. Отдельные катушки соединялись так, что проволока непрерывке обегала железное кольцо и притом в одном и том же направлении. От мест соединения каждой пары катушек шел проводник к соответствующей пла­стине коллектора. Чем больше было число оборотов катушки, тем большей силы ток можно было снять с кольца. Изготовленный таким образом якорь устанавливался на ось генератора, Для этого железное кольцо с внутренней стороны снабжалось железными спицами, которые скрепля­лись с коллектором — мас­сивным кольцом, насажен­ным на ось машины. Кол­лектор, как уже говорилось, состоял из отдельных метал­лических пластин одинако­вой ширины. Отдельные слои коллектора были изо­лированы друг от друга и от оси генератора.

Для снятия тока служи­ли коллекторные щетки, представлявшие собой упру­гие латунные пластины, плотно прилегавшие к кол­лектору в надлежащих мес­тах, Они соединялись с за­жимами машины, откуда постоянный ток поступал во внешнюю цепь. Провод, идущий к одному из зажимов, кроме того, образовы­вал обмотку электромагнитов. Простейшее соединение генератора с обмот­ками электромагнита можно было получить, соединив один конец обмотки электромагнита с одной из щеток коллектора, например отрицательной. Дру­гой конец обмотки электромагнита подключался к положительной щетке. При таком соединении весь ток генератора проходил через электромагниты.

В целом первая динамо-машина Грамма представля­ла собой две железные вер­тикальные стойки, соеди­ненные сверху и снизу стержнями двух электро­магнитов. Полюсы этих электромагнитов находи­лись в их середине, так что каждый из них был как бы составлен из двух, одинако­вые полюса которых были обращены друг к другу. Можно рассматривать это устройство иначе и считать, что две половины, приле­гающие к каждой стойке и соединенные ею, образовывали два отдельных электромагнита, которые со­единялись одноименными полюсами сверху и снизу. В тех местах, где обра­зовывался полюс, к электромагнитам были присоединены особой формы же­лезные насадки, которые входили в пространство между электромагнитами и обхватывали кольцеобразный якорь машины. Две стойки, связывающие оба электромагнита и составлявшие основу всей машины, служили также для того, чтобы держать ось якоря и шкивы машины. В 1870 году, получив патент на свое изобретение, Грамм образовал «Общество производства магнитоэлектрических машин». Вскоре было нала­жено серийное производство его генераторов, которые произвели подлинную революцию в электроэнергетике. Обладая всеми достоинствами самовозбуж­дающихся машин, они вместе с тем были экономичны, имели высокий КПД и обеспечивали практически неизменный по величине ток. Поэтому машины Грамма быстро вытеснили другие электрогенераторы и получили широкое распространение в самых разных отраслях. Тогда только появилась возмож­ность легко и быстро преобразовывать механическую энергию в электриче­ство. Однако Грамм создавал свой генератор, как динамо-машину постоянного тока. Но когда в конце 70-х — начале 80-х годов XIX века резко возрос интерес к переменному току, ему не стоило большого труда переделать его для производства переменного тока. В самом деле, для этого надо было только заменить коллектор двумя кольцами, по которым скользят пружины. Сначала генераторами переменного тока пользовались только при освещении, но с развитием электрификации они стали получать все большее применение и постепенно вытеснили машины постоянного тока. Первона­чальная конструкция генератора также претерпела значительные изменения. Первая машина Грамма была двухполюсной, но в дальнейшем стали приме­нять многополюсные генераторы, в которых обмотка якоря проходила при каждом обороте мимо четырех, шести и более попеременно установленных полюсов электромагнита. В этом случае ток возбуждался не с двух сторон колеса, как раньше, но в каждой части колеса, обращенной к полюсу, и отсю­да отводился во внешнюю цепь. Таких мест было столько, сколько магнитных полюсов. Затем все щетки положительных по­люсов связывались вместе, то есть соединялись параллельно. Точно так же поступали и с отрицательными щетками.

По мере увеличения мощности генераторов возникла новая проблема — каким образом снять ток с вращающегося якоря с наименьшими потерями. Дело в том, что при больших токах щетки начинали искрить. Кроме больших потерь электроэнергии, это оказывало вредное воздействие на работу генера­тора. Тогда Грамм посчитал рациональным вернуться к самой ранней конст­рукции электрогенератора, примененной в машине Пиксии: он сделал арма­туру неподвижной, а вращаться заставил электромагниты, ведь снять ток с неподвижной обмотки было проще. Он поместил катушки якоря на железном неподвижном кольце и заставил электромагниты вращаться внутри него. От­дельные катушки он связал между собой так, чтобы все те катушки, которые в данный момент подвергались одинаковому действию электромагнитов, бы­ли соединены последовательно. Таким образом Грамм разбил все катушки на несколько групп и каждую группу употребил для доставления тока в отдель­ную самостоятельную цепь. Однако возбуждающие ток электромагниты не­обходимо было питать постоянным током, так как переменный ток не мог вызвать в них неизменной полярности. Поэтому при каждом генераторе пе­ременного тока необходимо было иметь небольшой генератор постоянного тока.

Геотермическая электростанция (ГеоЭС)

Геотермическая электростанция − тепловая электростанция, преобразующая внутреннее тепло Земли в электрическую энергию. Источники глубинного тепла - радиоактивные превращения, химические реакции и другие процессы, происходящие в земной коре температура пород с глубиной растет и на уровне 2000-3000 м от поверхности Земли превышает 100°С. Циркулирующие на больших глубинах воды нагреваются до значительных температур и могут быть выведены на поверхность по буровым скважинам. В вулканических районах глубинные воды, нагреваясь, поднимаются по трещинам в земной коре. В этих районах термальные воды имеют наиболее высокую температуру и расположены близко к поверхности, иногда они выделяются в виде перегретого пара. Глубинное бурение в будущем позволит освоить высокую температуру магматических очагов. Термальные воды с температурой до 100°С выходят на поверхность во многих районах СССР. С помощью этих источников пара и преобразуют тепловую энергию земной коры в электрическую. Так же существует ещё один способ получения пара, для этого через пробуренные скважины закачивают холодную воду, нагреваясь, вода превращается в пар и выходит на поверхность под большим давлением. Полученный пар вращает турбину с соединённым к ней генератором, а генератор преобразует механическую энергию вращения в кинетическую. Такой способ получения электроэнергии используется в ГеоЭС Новой Зеландии.

В Советском Союзе первая геотермальная электростанция мощностью 5 МВт пущена в 1966 на юге Камчатки, в долине реки Паужетки, в районе вулканов Кошелева и Камбального. Пароводяная смесь с теплосодержанием до 840 кДж/кг (200 ккал/кг) выводится буровыми скважинами на поверхность и направляется в сепарационные устройства, где при давлении 0,23 Мн/м² пар отделяется от воды. Отсепарированный пар поступает в турбины, а горячая вода при температуре используется для теплоснабжения населённых пунктов и для других целей. На электростанции установлены две турбины мощностью по 2,5 мВт. На геотермальных электростанциях нет котельного цеха, топливоподачи, золоулавливателей и многих других устройств, необходимых для обычной тепловой электростанции; практически станция состоит из машинного зала и помещения для электротехнических устройств. Себестоимость электроэнергии на этой геотермальной электростанции в несколько раз ниже, чем на местных дизельных электростанциях. Потому что не расходуется топливо. Однако стоимость геотермальной электростанции выше чем стоимость тепловой электростанции той же мощности

Получение электроэнергии на геотермальных электростанциях осуществляется по одной из схем: прямой, непрямой и смешанной. При прямой схеме природный пар из скважин направляется по трубам прямо в турбины, соединённые с электрическими генераторами. Пар вращает турбину, а турбина вращает генератор. Пар и сконденсировавшаяся вода далее идут для отопления и иногда в химическое производство. При непрямой схеме производится предварительная очистка пара от веществ поступающих вместе с паром из скважины. При смешанной схеме природный неочищенный пар поступает в турбины, и затем из сконденсировавшейся воды удаляются вредные вещества.

В конечном итоге можно сделать следующие выводы:

Факторы "За" ГеоЭС:

1. Минимальная степень загрязнения окружающей среды.

2. Из-за малой площади размещения, минимальные изменения окружающего ландшафта.

Факторы "Против" ГеоЭС:

1. Невысокая мощность.

2. ГеоЭС возможно разместить только в районах где есть геотермальные ресурсы, а таких районов очень мало.

Гидроэлектростанции (ГЭС)

Гидроэлектростанция − это комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую энергию. Одни из первых гидроэлектрических установок мощностью всего в несколько сотен Вт были сооружены в 1876-81 в Штангассе и Лауфене (Германия) и в Грейсайде (Англия). Развитие ГЭС и их промышленное использование тесно связано с проблемой передачи электроэнергии на расстояние: как правило, места, наиболее удобные для сооружения ГЭС, удалены от основных потребителей электроэнергии. Протяжённость существовавших в то время линий электропередач не превышала 5-10 км; самая длинная линия 57 км. Сооружение линии электропередачи (170 км) от Лауфенской ГЭС до Франкфурта-на-Майне (Германия) для снабжения электроэнергией Международная электротехническая выставки (1891) открыла широкие возможности для развития ГЭС. В 1892 промышленный ток дала ГЭС, построенная на водопаде в Бюлахе (Швейцария), почти одновременно в 1893 были построены ГЭС в Гельшене (Швеция), на реке Изар (Германия) и в Калифорнии (США). В 1896 вступила в строй Ниагарская ГЭС (США) постоянного тока; в 1898 дала ток ГЭС Рейнфельд (Германия), а в 1901 стали под нагрузку гидрогенераторы ГЭС Жонат (Франция).

Напор ГЭС создаётся концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно. Деривацией в гидротехнике называют совокупность сооружений, осуществляющих отвод воды из реки, водохранилища или другого водоёма, транспортировку её к станционному узлу ГЭС, насосной станции, а также отвод воды от них. Различают деривацию безнапорную и напорную. Напорная деривация — трубопровод, напорный туннель, применяется, когда колебания уровня воды в месте её забора или отвода значительны. При малых колебаниях уровня может применяться как напорная, так и безнапорная деривация. Тип деривации выбирается с учётом природных условий района на основании технико-экономического расчёта. Протяжённость современных деривационных водоводов достигает нескольких десятков километров, пропускная способность более 2000 м3/сек. Основное энергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС: в машинном зале электростанции - гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления пульт оператора-диспетчера или автооператор гидроэлектростанции. Повышающая трансформаторная подстанция размещается как внутри здания ГЭС, так и в отдельных зданиях или на открытых площадках. Распределительные устройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание ГЭС может быть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательным оборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутри него создаётся монтажная площадка для сборки и ремонта различного оборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС. По установленной мощности различают ГЭС мощные (свыше 250 МВт), средние (до 25 МВт) и малые (до 5 МВт). Мощность ГЭС зависит от напора (разности уровней верхнего и нижнего расхода воды Q (м³/сек)), используемого в гидротурбинах, и КПД гидроагрегата.

По максимально используемому напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 25 м). На равнинных реках напоры редко превышают 100 м, в горных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м и более, а с помощью деривации - до 1500 м. Классификация по напору приблизительно соответствует типам применяемого энергетического оборудования: на высоконапорных ГЭС применяют ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами; на средненапорных - поворотнолопастные и радиально-осевые турбины с железобетонными и металлическими спиральными камерами, на низконапорных - поворотнолопастные турбины в железобетонных спиральных камерах, иногда горизонтальные турбины в капсулах или в открытых камерах. Подразделение ГЭС по используемому напору имеет приблизительный, условный характер. По схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.

В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в реке. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке реки площадь затопления уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые и приплотинные ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.

В деривационных ГЭС концентрация падения реки создаётся посредством деривации; вода в начале используемого участка реки отводится из речного русла водоводом, с уклоном, значительно меньшим, чем средний уклон реки на этом участке и со спрямлением изгибов и поворотов русла. Конец деривации подводят к месту расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвращается в реку, либо подводится к следующей деривационной ГЭС. Деривация выгодна тогда, когда уклон реки велик. Деривационная схема концентрации напора в чистом виде на практике приводит к тому, что из реки забирается лишь небольшая часть её стока. В других случаях в начале деривации на реке сооружается более высокая плотина и создаётся водохранилище: такая схема концентрации падения называется смешанной, так как используются оба принципа создания напора. Иногда, в зависимости от местных условий, здание ГЭС выгоднее располагать на некотором расстоянии от конца используемого участка реки вверх по течению; деривация разделяется по отношению к зданию ГЭС на подводящую и отводящую. В ряде случаев с помощью деривации производится переброска стока реки в соседнюю реку, имеющую более низкие отметки русла. Характерным примером является Ингурская ГЭС, где сток реки Ингури перебрасывается туннелем в соседнюю реку Эрисцкали (Кавказ).

На ГЭС с напорной деривацией водовод прокладывается с несколькими большим продольным уклоном, чем при безнапорной деривации. Применение напорной подводящей деривации обусловливается изменяемостью горизонта воды в верхнем бьефе, из-за чего в процессе эксплуатации изменяется и внутренний напор деривации.

Особое место среди ГЭС занимают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливные электростанции (ПЭС). Сооружение ГАЭС обусловлено ростом потребности в пиковой мощности в крупных энергетических системах, что и определяет генераторную мощность, требующуюся для покрытия пиковых нагрузок. Пиковая электростанция — электростанция, часть или все агрегаты которой работают тогда, когда потребление электроэнергии в энергосистеме резко возрастает на короткое время — при пике нагрузки, когда потребление электроэнергии резко возрастает. Агрегаты пиковой электростанции должны обладать высокой эксплуатационной манёвренностью, способностью в короткий срок, иногда за две три минуты, развивать полную мощность и так же быстро останавливаться. Пиковые электростанции в энергосистемах могут служить обычные гидроэлектрические станции и газотурбинные электростанции, а также тепловые паротурбинные электростанции, приспособленные для такого режима работы.

Способность ГАЭС аккумулировать энергию основана на том, что свободная в энергосистеме в некоторый период времени электрическая энергия используется агрегатами ГАЭС, которые, работая в режиме насоса, нагнетают воду из водохранилища в верхний аккумулирующий бассейн. В период пиков нагрузки аккумулированная энергия возвращается в энергосистему, вода из верхнего бассейна поступает в напорный трубопровод и вращает гидроагрегаты, работающие в режиме генератора тока. Мощность отдельных ГАЭС с такими обратимыми гидроагрегатами достигает 1620 МВт. Целесообразно применение ГАЭС, которые способны в ночные часы, когда потребление электроэнергии незначительно, запасать энергию, создавая нагрузку базисным паротурбинным электростанциям, а в дневные часы использовать запасённую энергию для покрытия пиков нагрузки.

Приливные электростанции (ПЭС) преобразуют энергию морских приливов в электрическую. ПЭС использует перепад уровней «полной» и «малой» воды во время прилива и отлива. Перекрыв плотиной залив или устье впадающей с море реки , можно при достаточно высокой амплитуде прилива создать напор, достаточный для вращения гидротурбин и соединённых с ними гидрогенераторов, размещенных в теле плотины. При одном бассейне и правильном полусуточном цикле приливов ПЭС может вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 ч с перерывами соответственно 2-1 ч четырежды за сутки, ПЭС такого типа называется однобассейновой двустороннего действия. Для устранения неравномерности выработки электроэнергии бассейн ПЭС можно разделить плотиной на два или три меньших бассейна, в одном из которых поддерживается уровень «малой», а в другом – «полной» воды; третий бассейн - резервный; гидроагрегаты устанавливаются в теле разделительной плотины. Но и эта мера полностью не исключает пульсации энергии, обусловленной цикличностью приливов в течение полумесячного периода. При совместной работе в одной энергосистеме с мощными тепловыми или атомными электростанциями, энергия, вырабатываемая ПЭС, может быть использована для участия в покрытии пиков нагрузки энергосистемы, а входящие в эту же систему ГЭС, имеющие водохранилища сезонного регулирования, могут компенсировать внутримесячные колебания энергии приливов. На ПЭС устанавливают капсульные гидроагрегаты, которые могут использоваться с относительно высоким КПД в генераторном и насосном режимах, а также в качестве водопропускного отверстия. Капсульный гидроагрегат — горизонтальный осевой гидроагрегат с поворотно-лопастной гидротурбиной, заключённый в металлический кожух-капсулу. Впервые два капсульных гидроагрегата мощностью по 195 кВт каждый были изготовлены швейцарской фирмой в 1936 для небольшой ГЭС в Польше. Отсутствие значительных поворотов и крутки потока, плавность очертаний элементов проточной части капсульного гидроагрегата обеспечивают его высокую эффективность: большую пропускную способность и меньшие габариты по сравнению с обычным вертикальным гидроагрегатом, хорошие энергетические показатели. В часы, когда малая нагрузка энергосистемы совпадает по времени с приливом воды в море, гидроагрегаты ПЭС либо отключены, либо работают в насосном режиме - подкачивают воду в бассейн выше уровня прилива или же аккумулируют энергию до того момента, когда в энергосистеме наступит пик нагрузки. В случае, если прилив или отлив совпадает по времени с максимумом нагрузки энергосистемы, ПЭС работает в генераторном режиме, поэтому ПЭС может использоваться в энергосистеме как пиковая электростанция. Так, например, работает ПЭС на 240 МВт, построенная в 1966 во Франции. Электроэнергия приливных ГЭС в силу некоторых особенностей, связанных с периодическим характером приливов и отливов, может быть использована в энергосистемах лишь совместно с энергией регулирующих электростанций, которые восполняют провалы мощности приливных электростанций в течение суток или месяцев.

Использование приливной энергии ограничено главным образом высокой стоимостью сооружения ПЭС, стоимость сооружения ПЭС почти в 2,5 раза больше, чем обычной речной ГЭС такой же мощности. Важнейшая особенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими ресурсами - их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные удельные капиталовложения и продолжительные сроки строительства, придавалось и придаётся большое значение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.

В конечном итоге можно сделать следующие выводы:

Факторы "За" ГЭС:

1. Нет загрязнения окружающей среды золой и дымовыми газами.

2. Гидроресурсы являются возобновляемыми.

3. Высокая мощность.

Факторы "Против" ГЭС:

1. Затопление прилежащих районов.

2. Разрушение огромных территорий при разрушении ГЭС.

Оглавление

1. Вступление

2. Генераторы переменного тока

3. Паровые турбины

4. Атомные электростанции

5. Гидроэлектростанции

6. Тепловые электростанции

7. Ветроэлектрическая станция

8. Геотермическая электростанция

9. Солнечные электростанции

10. Использование электроэнергии

11. Заключение

12. Краткая справка

13. Список литературы

Используемая литература

• Ядерная и термоядерная энергетика будущего; Чуянова В.А. ; Москва; Энергоатомиздат; 1987.

• Полупроводниковые фотопреобразователи; Васильев А. М., Ландсман А. П.; Москва; 1971.

• 100 великих изобретений; Рыжков К.В.; Москва; 1999.

• Оптика и атомная физика; Гершензон Е. М., Малов Н.Н.; Москва; 2000.

• Электродинамика; Гершензон Е. М., Малов Н.Н.; Москва; 2002.

• Энциклопедия по физике; Володин В.А.; Москва; 2000.

• Энергетические ресурсы мира; Непорожний П.С., Попков В.И.,; Москва; 1995г.

• Источники энергии. Факты, проблемы, решения; Москва; 1997г

Краткая справка

Курчатов Игорь Васильевич выдающийся советский физик и организатор науки. И.В. Курчатов окончил Крымский университет в 1923 г. С 1925 по 1942 гг. работал в Ленинградском физико-техническом институте.

Ранние работы Курчатова посвящены физике диэлектриков. Он заложил основы учения о сегнетоэлектричестве, внес существенный вклад в изучение кристаллов. В 1935 г. открывает явление ядерной изомерии, начинает работу над изучением ядерных реакций.

В 1943 г. был назначен правительством СССР ответственным за разработку и создание атомного оружия. Организует в Москве секретную Лабораторию №2 АН СССР (ныне Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова), на территории которой начинается строительство первого в нашей стране ядерного реактора (запущен 25 декабря 1946 г.). Курчатов проявил себя как выдающийся организатор, сумевший за считанные годы собрать коллектив лучших ученых страны и добиться решения сложнейшей проблемы создания ядерного оружия (в 1949 г. в СССР была испытана первая атомная бомба, в 1953 г. – первая водородная бомба).

Последние годы жизни Курчатов посвятил работе над созданием термоядерного реактора.

Карл Густав Патрик де Лаваль (9.5.1845 - 2.2.1913, Стокгольм), шведский инженер и изобретатель. По национальности француз. Окончил технологический институт и университет (1872) в Упсале. В 1878 сконструировал центробежный сепаратор непрерывного действия (для молока). В 1889 построил паровую турбину активного типа. Впервые применил расширяющиеся сопла, гибкий вал, диск равного сопротивления, позволивший достигать очень высоких окружных скоростей (419 м/сек). Кроме того, в турбинах Лаваля были предусмотрены многие новые элементы, часть из которых используется в современном турбостроении. Лаваль разработал также теорию сопла. Вследствие ряда конструктивных недостатков и относительно небольшой мощности турбины Лаваля не получили распространения, но сыграли важную роль в развитии турбостроения.

Зенобий Теофил Грамм, (1826-1901), бельгийский электротехник, изобретатель (1870) названных его именем магнито- и динамо-электрических машин (также кольцо Грамма), давших возможность создания и применения электрического тока для промышленных целей.

Томас Иоганн Зеебек (9.4. 1770 - 10.12.1831), немецкий физик, член Берлинской АН (1818). Изучал медицину в Берлине и Гёттингене. В 1821 открыл явление термоэлектричества. Совместно с Ж. Пельтье поставил ряд опытов, в которых был показан переход тепловой энергии в электрическую и обратно. Зеебек принадлежат также работы по физической оп тике, физической химии и др.

Солнечные электростанции (СЭС)

Солнечное излучение — экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны, годовое количество поступающей на Землю энергии составляет 1,05*10¹⁸ кВтч, из них 2*10¹⁷ кВтч приходится на поверхность суши. Из этого количества энергии 1,62*10¹⁶ кВтч в год могут быть использованы без ущерба для окружающей среды, что эквивалентно сжиганию 2*10¹² т угля в год. Последняя цифра в 60 раз превышает прогнозируемое на 2020 год производство этого вида энергоресурсов на земном шаре — 34,2 млрд. т угля.

Однако использование этой энергии для производства электричества в крупных размерах сопряжено с большими трудностями, главные из которых — низкая плотность солнечной радиации на поверхности земли и прерывистый характер ее поступления. Известные пути преодоления этих препятствий — создание аккумуляторов энергии и комбинированных солнечно-топливных или солнечно-атомных энергосистем, а также применение концентрирующих солнечную энергию устройств, повышающих ее плотность. Однако, эти решения не нашли широкого применения особенно в странах, расположенных в высоких широтах, из-за неконкурентоспособности с традиционными электростанциями.

Преобразование солнечной энергии в доступные для использования виды осуществляется двумя способами: фототермическим − преобразование световой энергии в тепловую, а затем при необходимости в электрическую и фотоэлектрическим − прямое преобразование световой энергии в электрическую. Наиболее простой − это фототермический способ. При фототермическом способе солнечные лучи с помощью зеркал фокусируют на котле с водой, вода нагревается и превращается в пар, водяной пар направляют в турбину, где он совершает работу — вращение турбины. Генератор переменного тока, вращаемый турбиной вырабатывает электрический ток. Пригодны они и для работы в космосе, но в этом случае необходим специальный теплообменник— излучатель, выполняющий роль конденсатора пара. При этом если в наземной паротурбинной установке теплота конденсации отводится циркулирующей водой, то в условиях космоса отвод тепла отработавшего в турбине пара или газа возможен только излучением. Поэтому энергоустановка должна быть замкнутой. Энергоустановки, работающие на фототермическом способе имеют КПД около 11% и способны набирать номинальную частоту вращения турбины менее чем через одну минуту после наведения солнечного пятна на полость котла.

При фотоэлектрическом методе происходит преобразование световой энергии в электрическую. Существует два типа фотоэлектрических генераторов: Термоэлектрогенераторы и солнечные батареи

Термоэлектрогенераторы основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре.

Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта для выработки электроэнергии, и в 1940—1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. Трудами А.Ф. Иоффе и его школы в 40—50-е годы была разработана и теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные термоэлектрические материалы.

Соединяя между собой отдельные термоэлектрические элементы можно достичь достаточно больших мощностей. Однако установка в 50 Вт будет весить около 1 кг, следовательно, чтобы обеспечить крупный город электроэнергией около 10 ГВт необходимо, чтобы масса солнечной батареи была около 200 тыс. т.

Солнечная батарея — соединение нескольких фотоэлектрических генераторов. Фотоэлектрический генератор основан на внутреннем фотоэффекте. Первые фотоэлектрические генераторы с практически приемлемым КПД преобразования около 6% были разработаны Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чапиным в США в 1953—54 годах. Внутренний фотоэффект − явление перераспределение электронов по энергетическим состояниям в конденсированной среде, происходящее при поглощении электромагнитного излучения, и появления электрического тока в цепи. В неметаллических телах фотоэффект проявляется в изменении электропроводности, диэлектрической проницаемости среды или в возникновении на ее границах электродвижущей силы. В металлах из-за их высокой электропроводности этот эффект практически не заметен.

Обычно солнечные батареи выполняют в виде плоской панели, собранной из отдельных фотоэлементов, причём толщина полупроводника не превышает 0,2-0,3 мм. КПД серийно выпускаемых фотоэлектрических генераторов 10-12%, у лучших образцов он достигает 15-18%. Фотоэлектрические генераторы способны преобразовывать энергию излучения сверхвысокой плотности до нескольких кВт/см². Отдельные элементы фотоэлектрического генератора. могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно; при этом от генератора можно получать соответственно малую силу тока при большом напряжении или большую силу тока, но при малом напряжении. Солнечные батареи имеют меньшую массу чем термоэлектрогенераторы. При вырабатываемой мощности в 200 Вт солнечная батарея имеет массу в 1 кг.

Особенностью солнечных батарей является то, что они вырабатывают только постоянный ток. Для преобразования постоянного тока в переменный необходим инвертор. Инверторы − полупроводниковые приборы. Они могут быть разделены на два типа в соответствии с типом фотоэлектрических систем: инверторы для автономных систем и инверторы для сетевого применения.

Выходное напряжение автономных инверторов в большинстве случаев составляет 220 В, а в инверторах мощностью 10 -100 кВт можно получать трехфазное напряжение 380 В. Все автономные инверторы преобразуют постоянный ток аккумуляторных батарей, поэтому входное напряжение выбирается из ряда 12, 24, 48 и 120 В. Чем больше входное напряжение, тем проще инвертор и тем больше его КПД. При больших напряжениях значительно меньше потери на передачу энергии от солнечного генератора к аккумуляторной батарее, регулятору зарядки и инвертору, но при этом усложняется конструкция солнечного генератора и его эксплуатация при опасных напряжениях (выше 40 В).

Энергетические характеристики солнечных батарей определяются полупроводниковым материалом, конструктивными особенностями солнечных батарей является, количество элементов в батарее. Распространённые материалы для солнечных батарей — Si, GaAs; реже используются CdS, CdTe. Наиболее высокий КПД получен в солнечных батареях из Si со структурой, имеющей электронно-дырочный переход— 15% при освещении в земных условиях, и в солнечных батареях на основе GaAs с полупроводниковым гетеропереходом (18%).

Достоинства фотоэлектрического генератора − портативность, практически неограниченный срок службы и хранения, отсутствие движущихся частей, простота обслуживания, отсутствие вредных для окружающей среды выделений; их недостаток − относительно высокая стоимость. Фотоэлектрические генераторы используют в качестве автономных источников энергопитания аппаратуры космических летательных аппаратов, радиоприёмников и приёмно-передающих радиостанций, маяков и навигационных указателей, устройств антикоррозионной защиты нефтепроводов и газопроводов и т.п. Разработаны проекты создания солнечных электростанций большой мощности на основе фотоэлектрических генераторов, снабженных концентраторами солнечного излучения.

В конечном итоге можно сделать следующие выводы:

Факторы "За" солнечные электростанций:

1. Неисчерпаемость используемых ресурсов.

2. Портативность.

3. Широкие перспективы развития в космической промышленности.

4. Очень большой срок эксплуатации установок

Факторы "Против" солнечных электростанций:

1. Высокая стоимость установок.

2. Низкая плотность поступающей энергии (солнечной).

3. Непостоянство и прерывистый характер поступающей энергии.

Тепловые электростанции (ТЭС)

Тепловая электростанция — электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. На сегодняшний день большая часть электроэнергии производиться на ТЭС. Первые ТЭС появились в конце 19 в. (в 1882 - в Нью-Йорке, 1883 - в Петербурге, 1884 - в Берлине) и получили преимущественное распространение. В середине 70-х гг. XX в. ТЭС - основной вид электрических станций. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: в СССР и США св. 80% (1975), в мире около 76% (1973). Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные электростанции (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в котлоагрегате для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического генератора. Главным элементом ТПЭС является котлоагрегат. Котлоагрегат — котельный агрегат, конструктивно объединённый в единое целое комплекс устройств для получения под давлением пара или горячей воды за счёт сжигания топлива. Главной частью котлоагрегата являются топочная камера и газоходы, в которых размещены поверхности нагрева, воспринимающие тепло продуктов сгорания топлива. Элементы котлоагрегата опираются на каркас и защищены от потерь тепла обмуровкой и изоляцией. Котлоагрегаты применяются на тепловых электростанциях для снабжения паром турбин; в промышленных и отопительных котельных для выработки пара и горячей воды на технологические и отопительные нужды; в судовых котельных установках. Конструкция котлоагрегата зависит от его назначения, вида применяемого топлива и способа сжигания, единичной паропроизводительности, а также от давления и температуры вырабатываемого пара.

В топочной камере котлоагрегата происходят сгорание топлива и частичное охлаждение продуктов сгорания в результате лучистого теплообмена между нагретыми газами и покрывающими стены топочной камеры трубами, по которым циркулирует охлаждающая их среда (вода или пар). Система этих труб называется топочными экранами. На выходе из топки газы имеют температуру порядка 1000°С. Для дальнейшего охлаждения газов на их пути устанавливают трубчатые поверхности нагрева — пароперегреватели, выполняемые обычно в виде ширм — трубчатых змеевиков, собранных в плоские пакеты. Теплообмен в ширмовых поверхностях осуществляется излучением и конвекцией, поэтому часто такие поверхности называют полурадиационными. Пройдя ширмовый пароперегреватель, газы с температурой 800—900 °С поступают в конвективные пароперегреватели высокого и низкого давления, представляющие собой пакеты труб. Теплообмен в этих и последующих поверхностях нагрева осуществляется в основном конвекцией, и они называются конвективными. После пароперегревателя на пути газов, имеющих температуру 600—700°С, устанавливается водяной экономайзер, а далее воздухоподогреватель, в котором газы охлаждаются до 130—170°С. Экономайзер —элемент котлоагрегата, теплообменник, в котором вода перед подачей в котёл подогревается уходящими из котла газами. Дальнейшему снижению температуры уходящих из котлоагрегата газов путём полезного использования их тепла для нагрева рабочей среды препятствует конденсация на поверхностях нагрева паров воды и серной кислоты, образующейся при сжигании сернистых топлив, что приводит к интенсивному загрязнению поверхностей нагрева золовыми частицами и к коррозии металла. Охлажденные газы, пройдя устройства очистки от золы и в некоторых случаях от серы, выбрасываются дымовой трубой в атмосферу. Твёрдые продукты сгорания топлива, уловленные в котлоагрегате, периодически или непрерывно удаляются через системы золоудаления и шлакоудаления. Для поддержания поверхностей нагрева в чистоте в котлоагрегате предусматривается комплекс периодически включаемых обдувочных и обмывочных аппаратов и дробеочистительных устройств.

По характеру движения рабочей среды котлоагрегаты бывают с многократной естественной или принудительной циркуляцией и прямоточные. В котлоагрегатах с многократной циркуляцией рабочая среда непрерывно движется по замкнутому контуру, частично испаряясь в обогреваемой части контура. Образовавшийся пар отделяется от воды в барабане, а испарённая часть котловой воды возмещается питательной водой, подаваемой питательным насосом в водяной экономайзер и далее в барабан. Движение рабочей среды по циркуляционному контуру в котлоагрегате с естественной циркуляцией осуществляется вследствие разности плотностей пароводяной смеси в обогреваемой части контура и воды в необогреваемой или слабо обогреваемой его части. В котлоагрегате с принудительной циркуляцией рабочая среда по контуру перемещается под действием циркуляционного насоса. Непрерывное упаривание котловой воды в котлоагрегате с многократной естественной или принудительной циркуляцией приводит к возрастанию концентрации растворённых и взвешенных в ней примесей: солей, окислов, гидратов окислов, которые могут, отлагаясь на внутренней поверхности обогреваемых труб, ухудшать условия их охлаждения и стать причиной перегрева металла и аварийной остановки котлоагрегата из-за разрыва труб. Кроме того, чрезмерное повышение концентрации примесей в котловой воде недопустимо из-за уноса их паром из барабана с капельками воды или в виде парового раствора в пароперегреватель, а также в турбину, где примеси оседают на лопатках турбомашины, уменьшая её КПД. Во избежание возрастания концентрации примесей в котловой воде производятся непрерывные и периодические продувки котла. Предельно допустимая концентрация примесей определяется конструкцией и параметрами котлоагрегата, составом питательной воды и тепловыми напряжениями экранных поверхностей нагрева. В прямоточном котлоагрегате нагрев, испарение воды и перегрев пара осуществляются за один проход среды по тракту. При такой организации процесса генерации пара примеси, содержащиеся в воде, не могут быть выведены из котлоагрегата продувкой части котловой воды, как это имеет место в котлоагрегате с естественной или принудительной многократной циркуляцией. В прямоточномкотлоагрегате часть примесей осаждается на внутреннюю поверхности труб, а часть поступает в турбину, где отлагается на лопатках. Поэтому к воде прямоточных котлоагрегатах предъявляются более жёсткие требования в отношении её качества. Вода, поступающая в такие котлоагрегаты, предварительно обрабатывается в системе водоподготовки.

Котлоагрегат для энергоблока мощностью 300 МВт представляет собой сооружение высотой более 50 м, в плане занимает площадь порядка 1 тыс. м². На сооружение такого котлоагрегата расходуется около 4,5 тыс. т металла, примерно 1/3 этого количества приходится на трубные системы, работающие под давлением свыше 25 МН/м². КПД котлоагрегата превышает 90%. Турбоагрегат и снабжающий его паром парогенератор с их вспомогательным оборудованием и трубопроводами пара и воды образуют энергоблок ТПЭС. Питательные и конденсатные насосы, регенеративные подогреватели, деаэраторы относятся к вспомогательному оборудованию турбинной установки. Вспомогательное оборудование котлоагрегата, работающей на твёрдом топливе, составляют пылеприготовительное оборудование и золоуловители, дутьевые вентиляторы, подающие воздух в топочную камеру парогенератора, и дымососы, отсасывающие продукты сгорания топлива: дымовые газы удаляются в атмосферу через дымовые трубы высотой 150—360 м. В котлоагрегатах на газомазутном топливе, работающих с избыточным давлением в топочной камере и в газоходах, вместо дутьевых вентиляторов используют воздуходувки с повышенным напором; дымососы при этом не требуются. Общие вспомогательные производственные установки и сооружения ТПЭС — установки и сооружения технического водоснабжения, топливного и зольного хозяйства. Основное назначение технического водоснабжения — обеспечение турбоагрегатов водой, необходимой для охлаждения отработавшего пара (на конденсационных электростанциях расход воды составляет свыше 30 м³/сек в расчёте на турбину мощностью около 1 Гвт). Источником водоснабжения могут быть река, озеро, море. Большей частью применяют оборотное водоснабжение, с сооружением охлаждающих прудов (на конденсационных электростанциях), реже — прямоточное водоснабжение, с однократным пропусканием охлаждающей воды через конденсаторы турбин. Топливное хозяйство ТПЭС, использующей твёрдое топливо — уголь, включает разгрузочные устройства, систему ленточных конвейеров, подающих топливо в бункеры парогенераторов, топливный склад с необходимыми механизмами и транспортными устройствами, дробильное оборудование. Отходы из топочных камер удаляют водой по смывным каналам; затем шлако-водяную смесь центробежными насосами перекачивают в золоотвалы. Летучую золу, уловленную в золоуловителях, удаляют с помощью воды или воздуха. При использовании в качестве топлива мазута в топливное хозяйство входят мазутные баки, насосы, подогреватели, трубопроводы.

Главный корпус ТПЭС, в котором размещены энергоблоки, вспомогательные производственные установки и сооружения, электрические распределительные устройства, лаборатории, мастерские, склады и другие помещения размещают на производственной территории ТПЭС общей площадью в 30—70 га. Территорию для конденсационной электростанции выбирают вне городов, возможно ближе к источнику водоснабжения и топливной базе. ТЭЦ располагают вблизи потребителей тепла.

В СССР на ТПЭС производилось (1975) ~99% электроэнергии, вырабатываемой ТЭС. В качестве топлива на таких ТЭС используют уголь, мазут, природный газ, лигнит, торф, сланцы. Их КПД достигает 40%, мощность до 3 ГВт. ТПЭС, имеющие в качестве привода электрогенераторов конденсационные турбины и не использующие тепло отработавшего пара для снабжения тепловой энергией внешних потребителей, называются конденсационными (ГРЭС). На ГРЭС вырабатывается около 2/3 электроэнергии, производимой на ТЭС. ТПЭС, оснащенные теплофикационными турбинами и отдающие тепло отработавшего пара промышленным или коммунально-бытовым потребителям, называемым теплоэлектроцентралями (ТЭЦ); ими вырабатывается около 1/3 электроэнергии, производимой на ТЭС.

ТЭС с приводом электрогенератора от газовой турбины называются газотурбинными электростанциями (ГТЭС). В камере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с температурой 750-900^о С поступают в газовую турбину, вращающую электрогенератор. КПД таких ТЭС обычно составляет 26-28%, мощность - до нескольких сотен МВт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиков электрической нагрузки.

В конечном итоге можно сделать следующие выводы:

Факторы "За" ТЭС:

1. Высокая мощность.

2. Возможность использовать продукты деятельности ТЭС для отопления домов и в других целях.

3. Распространенность используемых ресурсов.

Факторы "Против" ТЭС:

1. Самая высокая степень загрязнения окружающей среды.

2. Расход большого количества органического топлива.

3. Низкий КПД около 30%.

Реферат по технологии (физика)

На тему: «Получение и использование электрической энергии»

Выполнил:

Ученик 10 Б класса Кабисов Валерий

Проверила:

Верховцева Татьяна Владимировна

Паровая турбина

Паровая турбина, первичный паровой двигатель с вращательным движением рабочего органа — ротора и непрерывным рабочим процессом; служит для преобразования тепловой энергии водяного пара в механическую работу. Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. В отличие от поршневой паровой машины, паровая турбина использует не потенциальную, а кинетическую энергию пара.

В конце 19 века, машиностроение и металлургия достигли достаточного уровня для создания первых паровых турбин. Первые конструкции этих установок предложили Г. П. Лаваль и Ч. А. Парсонс. Независимо друг от друга в 1884—89 годах они создали промышленно пригодные паровые турбины. Лаваль применил расширение пара в конических неподвижных соплах паровую струю со сверхзвуковой скоростью истечения направленную на один ряд рабочих лопаток, насаженных на диск паровой турбины. Работающие по этому принципу паровые турбины, получили название активных. Парсонс создал многоступенчатую реактивную паровую турбину, в которой расширение пара осуществлялось в большом числе последовательно расположенных ступеней не только в каналах неподвижных (направляющих) лопаток, но и между подвижными лопатками. Паровые турбины получили очень широкое применение, постепенно вытесняя поршневые паровые турбины.

Однако невозможность получить большую агрегатную мощность и очень высокая частота вращения одноступенчатых паровых турбин Лаваля (до 30 000 об/мин у первых образцов) привели к тому, что они сохранили своё значение только для привода вспомогательных механизмов. Активные паровые турбины развивались в направлении создания многоступенчатых конструкций, в которых расширение пара осуществлялось в ряде последовательно расположенных ступеней. Это позволило значительно увеличить единичную мощность паровых турбин, сохранив умеренную частоту вращения, необходимую для непосредственного соединения вала паровой турбины с вращаемым ею механизмом.

Реактивная паровая турбина Парсонса некоторое время применялась в основном на военных кораблях, но постепенно уступила место более компактным комбинированным активно-реактивным паровым турбинам, у которых реактивная часть высокого давления заменена одновенчатым или двухвенчатым активным диском. В результате уменьшились потери на утечки пара через зазоры в лопаточном аппарате, турбина стала проще и экономичнее.

В зависимости от характера теплового процесса паровые турбины обычно подразделяют на 3 основные группы: конденсационные, теплофикационные и специального назначения.

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Такие паровые турбины работают с выходом отработанного пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум. Конденсационные паровые турбины могут быть стационарными или транспортными. Стационарные паровые турбины в соединении с генераторами переменного электрического тока — турбогенератор. Он является основным оборудованием электростанций. Чем больше мощность турбогенератора, тем он экономичнее и тем ниже стоимость 1 кВт установленной мощности. Поэтому мощность паровых турбин растет из года в год и к 1974 достигла 1200 МВт в агрегате [при давлении свежего пара до 35 Мн/м² и температуре до 650 °С]. Принятая в СССР частота электрического тока 50 Гц требует, чтобы частота вращения паровой турбины, соединённой с двухполюсным генератором, равнялась 3000 об/мин. От стационарных паровых турбин требуется высокая экономичность на нагрузках, близких к полной (около 80%). Транспортные паровые турбины используются в качестве главных и вспомогательных двигателей на кораблях и судах.

Теплофикационные паровые турбины служат для одновременного получения электрической и тепловой энергии. К ним относятся паровые турбины с противодавлением, с регулируемым отбором пара, а также с отбором и противодавлением. У паровых турбин с противодавлением весь отработавший пар используется для технологических целей: отопление и др. Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от потребности производства или отопительной системы в греющем паре и меняется вместе с ней. Поэтому турбоагрегат с противодавлением обычно работает параллельно с конденсационной паровой турбиной, которая покрывают возникающий дефицит в электроэнергии. В паровой турбине с регулируемым отбором часть пара отводится из промежуточных ступеней, а остальной пар идёт в конденсатор. Давление отбираемого пара поддерживается в заданных пределах системой регулирования. Место отбора выбирают в зависимости от нужных параметров пара. Давление пара паровой турбины для отопительных целей обычно составляет 0,12 Мн/м², а для технологических нужд (сахарные, деревообрабатывающие, пищевые предприятия) 0,5—1,5 Мн/м².

Паровые турбины специального назначения обычно работают на побочном тепле от металлургических, машиностроительных, и химических предприятий. К ним относятся паровые турбины мятого пара, двух давлений и предвключённые. Паровые турбины мятого пара используют отработавший пар поршневых машин, паровых молотов и прессов, имеющий давление немного выше атмосферного. Паровые турбины двух давлений работают как на свежем, так и на отработавшем паре паровых механизмов, подводимом в одну из промежуточных ступеней. Предвключённые паровые турбины представляют собой турбины с высоким начальным давлением и высоким противодавлением; весь отработавший пар этих паровых турбин направляют в другие паровые турбины с более низким начальным давлением пара. Необходимость в предвключённых паровых турбинах возникает при модернизации электростанций, связанных с установкой паровых котлов более высокого давления, на которое не рассчитаны ранее установленные на электростанции паровые турбины.

Корпус паровой турбины с несколькими ступенями давления разделяют диафрагмами на отдельные камеры, в каждой из которых помещен один из дисков с рабочими лопатками. Пар может проникать из одной камеры в другую только через сопла, расположенные по окружности диафрагм. Давление пара снижается после каждой ступени, а скорости истечения пара остаются примерно одинаковыми, что достигается выбором соответствующих размеров сопел. Число ступеней давления у мощных турбин с высокими начальными параметрами пара достигает 30—40. Поскольку объём пара по мере его расширения увеличивается, сечения сопел и высоты лопаток возрастают от первой ступени к последней. Последние ступени мощных паровых турбин обычно выполняют сдвоенными, а у самых больших паровых турбин — строенными и даже счетверёнными ввиду неприемлемо больших размеров лопаток последних ступеней, которые были бы необходимы для пропуска всего объёма пара через первую ступень.

По направлению движения потока пара различают аксиальные паровые турбины, у которых поток пара движется вдоль оси турбины, и радиальные паровые турбины, направление потока пара в которых перпендикулярно, а рабочие лопатки расположены параллельно оси вращения. По числу корпусов паровые турбины подразделяют на однокорпусные, двухкорпусные, трёхкорпусные и редко четырёхкорпусные. Многокорпусная конструкция позволяет разместить большое число ступеней давления, применить высококачественные металлы в части высокого давления и раздвоение потока пара в части низкого давления; однако такая паровая турбина получается более дорогой, тяжёлой и сложной. По числу валов различают одновальные паровые турбины, у которых валы всех корпусов находятся на одной оси, двухвальные и редко трёхвальные, состоящие из двух или трёх параллельно размещенных одновальных паровых турбин, связанных общностью теплового процесса.

Неподвижная часть паровой турбины — корпус. Его выполняют разъёмным в горизонтальной плоскости для возможности монтажа ротора. В корпусе имеются выточки для установки диафрагм, разъём которых совпадает с плоскостью разъёма корпуса. По периферии диафрагм размещены сопловые каналы, образованные криволинейными лопатками, залитыми в тело диафрагм или приваренными к нему. В местах прохода вала сквозь стенки корпуса установлены концевые уплотнения лабиринтового типа для предупреждения утечек пара наружу и засасывания воздуха в корпус. Лабиринтовые уплотнения устанавливают в местах прохода ротора сквозь диафрагмы во избежание перетечек пара из ступени в ступень в обход сопел. На переднем конце вала устанавливают предельный регулятор, автоматически останавливающий паровую турбину при увеличении частоты вращения на 10—12% сверх нормальной. Задний конец ротора снабжают валоповоротным устройством с электрическим приводом для медленного проворачивания ротора после остановки паровой турбины, что необходимо для равномерного остывания.

Использование электроэнергии

Энергетика обеспечивает бесперебойную работу промышленности, сельского хозяйства, транспорта, коммунальных хозяйств. Стабильное развитие экономики невозможно без постоянно развивающейся энергетики.

Научно-технический прогресс невозможен без развития энергетики, электрификации. Для повышения производительности труда первостепенное значение имеет механизация и автоматизация производственных процессов, замена человеческого труда (особенно тяжелого или монотонного) машинным. Но подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации (оборудование, приборы, ЭВМ) имеет электрическую основу. Особенно широкое применение электрическая энергия получила для привода в действие электрических моторов. Мощность электрических машин (в зависимости от их назначения) различна: от долей ватта (микродвигатели, применяемые во многих отраслях техники и в бытовых изделиях) до огромных величин, превышающих миллион киловатт (генераторы электростанций).

Энергетическая промышленность является частью топливно-энергетической промышленности и неразрывно связана с другой составляющей этого гигантского хозяйственного комплекса - топливной промышленностью.

Электроэнергетика наряду с другими отраслями народного хозяйства рассматривается как часть единой народно-хозяйственной экономической системы. В настоящее время без электрической энергии наша жизнь немыслима. Электроэнергетика вторглась во все сферы деятельности человека: промышленность и сельское хозяйство, науку и космос. Представить без электроэнергии наш быт также невозможно. Столь широкое распространение объясняется ее специфическими свойствами:

• возможности превращаться практически во все другие виды энергии (тепловую, механическую, звуковую, световую и другие);

• способности относительно просто передаваться на значительные расстояния в больших количествах;

• огромным скоростям протекания электромагнитных процессов;

• способности к дроблению энергии и образование ее параметров (изменение напряжения, частоты).

Основным потребителем электроэнергии остается промышленность, хотя ее удельный вес в общем полезном потреблении электроэнергии во всём мире значительно снижается. Электрическая энергия в промышленности применяется для приведения в действие различных механизмов и непосредственно в технологических процессах. В настоящее время коэффициент электрификации силового привода в промышленности составляет 80%. При этом около 1/3 электроэнергии расходуется непосредственно на технологические нужды.

В сельском хозяйстве электроэнергия применяется для обогрева теплиц и помещений для скота, освещения, автоматизации ручного труда на фермах.

Огромную роль электроэнергия играет в транспортном комплексе. Большое количество электроэнергии потребляет электрифицированный железнодорожный транспорт, что позволяет повышать пропускную способность дорог за счет увеличения скорости движения поездов, снижать себестоимость перевозок, повышать экономию топлива. Электрифицированный номинал железных дорог в России, составлял по протяженности 38% всех железных дорог страны и около 3% железных дорог мира, обеспечивает 63% грузооборота железных дорог России и 1/4 мирового грузооборота железнодорожного транспорта. В Америке и, особенно в странах Европы, эти показатели несколько выше.

Электроэнергия в быту является основной частью обеспечения комфортабельной жизни людей. Многие бытовые приборы (холодильники, телевизоры, стиральные машины, утюги и другие) были созданы благодаря развитию электротехнической промышленности.

Сегодня по потреблению электроэнергии на душу населения Россия уступает 17 странам мира, среди которых США, Франция, Германия, от многих из этих стран отстает и по уровню электровооруженности труда в промышленности и сельском хозяйстве. Потребление электроэнергии в быту и сфере услуг в России 2-5 раз ниже, чем в других развитых странах. При этом эффективность и результативность использования электроэнергии в России заметно меньше, чем в ряде других стран.

Электроэнергетика - важнейшая часть жизнедеятельности человека. Уровень ее развития отражает уровень развития производительных сил общества и возможности научно-технического прогресса.

Ветроэлектрические станции (ВЭС)

Ветер один из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может с его помощью зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге можно вырабатывать электроэнергию. Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает этот вид энергоресурса очень ненадёжным. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность «собирать» кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Первую проблему можно легко решить, установив несколько ветроэлектрических установок.

Ветроэлектрическая станция − ветроэнергетическая установка, преобразующая кинетическую энергию ветрового потока в электрическую. Ветроэлектрическая станция состоит из ветродвигателя, генератора электрического тока, автоматических устройств управления работой ветродвигателя и генератора, сооружений для их установки и обслуживания. Ветродвигатель — двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. В качестве рабочего органа ветродвигателя, воспринимающего энергию ветрового потока и преобразующего её в механическую энергию вращения вала, является ротор, барабан с лопатками, ветроколесо. В зависимости от типа рабочего органа и положения его оси относительно потока различают ветродвигатели карусельные, барабанного типа и крыльчатые. У карусельных ветродвигателей ось вращения рабочего органа вертикальна. Ветер давит на лопасти, расположенные по одну сторону оси, а лопасти по другую сторону оси прикрываются ширмой либо специальным приспособлением поворачиваются ребром к ветру. Так как лопасти движутся по направлению потока, то их окружная скорость не может превышать скорости ветра. Поэтому карусельные ветродвигатели относительно тихоходны, более громоздки и менее эффективны, чем крыльчатые. Коэффициент использования энергии ветра, оценивающий степень энергетического совершенства ветродвигателя и показывающий, какая доля энергии ветрового потока преобразуется в механическую энергию, у них не превышает 0,15. Такие же недостатки присущи ветродвигателю барабанного типа, у которого вал барабана расположен горизонтально и перпендикулярно направлению ветрового потока. Преимущественное распространение получили крыльчатые ветродвигатели, у которых ось ветроколеса горизонтальна и параллельна направлению потока. Они имеют наивысший коэффициент использования энергии ветра до 0,48 и более надёжны в эксплуатации. Так как лопасть с наконечником крепления к ступице называется крылом, то и ветродвигатели такого типа получил название крыльчатого. В зависимости от числа лопастей различают ветроколеса быстроходные: менее 4, средней быстроходности: от 4 до 8 и тихоходные: более 8 лопастей. Поэтому чем меньше лопастей тем выше угловая скорость.

В большинстве случаев ветроэлектрические станции пользуются как источником электроэнергии относительно небольшой мощности в местах, характеризующихся хорошим ветровым режимом и удалённых от сетей централизованного электроснабжения. Наиболее перспективно применение ветроэлектрических станций в сельском хозяйстве. Для получения высоких мощностей от ВЭС необходимо размещать несколько ветроэлектрических установок на большой площади. ВЭС малой мощности имеют генераторы постоянного или переменного тока и работают с батареями электрохимических аккумуляторов, которые не только запасают энергию на периоды безветрия, но и сглаживают пульсации напряжения. ВЭС средней и большой мощности вырабатывают переменный ток. При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. При изолированной работе для улучшения качества энергии и её кратковременного аккумулирования ВЭС снабжают инерционными аккумуляторами и электрическими регуляторами напряжения.

В конечном итоге можно сделать следующие выводы:

Факторы "За" ветроэлектрические станции:

1. Доступность, повсеместное распространение и неисчерпаемость ресурсов.

2. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления.

3. Низкая цена ветроэлектрических установок.

Факторы "Против" ветроэлектрических станций:

1. Непостоянство скорости ветра, а следовательно скачки напряжения.

2. Малая мощность.

Введение

Современное общество к концу ХХ века столкнулось с энергетическими проблемами, которые приводили известной степени даже к кризисам. Человечество старается найти новые источники энергии, которые были бы выгодны во всех отношениях: простота добычи, дешевизна транспортировки, экологическая чистота, восполняемость. Уголь и газ отходят на второй план: их применяют только там, где невозможно использовать что-либо другое. Всё большее место в нашей жизни занимает атомная энергия: её можно использовать как в ядерных реакторах космических челноков, так и в легковом автомобиле.

Все традиционные источники энергии обязательно закончатся, особенно при постоянно возрастающих потребностях людей. Поэтому на рубеже XXI века человек стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Есть и другие причины, в связи с которыми человечество обратилось к альтернативным источникам энергии. Во-первых, непрерывный рост промышленности, как основного потребителя всех видов энергии (при нынешней ситуации запасов угля хватит примерно на 270 лет, нефти на – 35 – 40 лет, газа – на 50 лет). Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. И, в третьих, экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов. Не менее важной причиной необходимости освоения альтернативных источников энергии является проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, что двуокись углерода (СО₂), высвобождаемая при сжигании угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепловое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем и создает так называемый парниковый эффект.

Заключение

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы прямо или косвенно больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Традиционные источники энергии по-прежнему занимают ведущее положение в мировой электроэнергетике. Однако за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить всё до-роже. Кроме того, природные ресурсы ограничены, и, в конце концов, человечество будет вынуждено перейти сначала на повсеместное использование атомной энергии, а потом полностью на энергию ветра, Солнца и Земли.

Альтернативную энергию повсеместно можно будет использовать только тогда, когда традиционного топлива станет настолько мало, что его цена станет баснословно высокой; или когда экологический кризис поставит человечество на грань самоуничтожения. Уже сейчас можно существенно преуменьшить вероятность парникового эффекта и ликвидировать все экологически неблагоприятные районы за счёт использования чистой альтернативной энергии. Однако этого до сих пор не произошло из-за низкой рентабельности такого строительства. Установки производства альтернативной энергии очень дороги, а их мощность намного меньше мощности тепловых или атомных электростанций. Подготовительные работы для использования любого альтернативного источника энергии стоят очень дорого, кроме того, они не всегда безопасны как для людей, так и для окружающей среды. Поэтому моментального введения в эксплуатацию «правильного» источника электричества ожидать в ближайшее время не стоит.