Производство электроэнергии - Атомная электростанция (атомный реактор)
Каждому современному человеку понятно, что самая удобная энергия для использования в промышленности и в быту – электрическая. Основная часть энергии вырабатывается на тепловых станциях игидроэлектростанциях. Атомные электростанции вырабатывают лишь небольшую долю энергии в нашей стране – порядка 16% с тенденцией к ежегодному повышению. При этом, например, во Франции более 90% энергии вырабатывается на атомных электростанциях. Первая атомная станция в СССР появилась в 1954 году.
Основа советской атомной энергетики была заложена теоретическими и экспериментальными работами советских ученых во главе с академиком И.В. Курчатовым.
Ученые давно указывали, что в ядрах атомов скрыты необыкновенные запасы энергии, которую можно освободить – вспомним хотя бы знаменитую формулу Эйнштейна E=M*C^2.
Однако, человечество получило первую крошечную часть этих запасов совсем недавно – в конце 30-х годов прошлого века. Оказалось, что ядра тяжелых элементов – урана и тория, сталкиваясь с нейтральными частицами – нейтронами, распадаются на осколки. Разлетаясь с огромной скоростью, эти осколки могут передать веществу, в котором они движутся, часть своей энергии. При делении появляются новые нейтроны, которые вызывают распад ядер других атомов. Так возникает цепная реакция – саморазвивающийся процесс деления ядер урана.
На этой основе была сконструирована атомная (хотя правильнее говорить ядерная) бомба. В ней внутриядерная энергия освобождается мгновенно, производя огромный взрыв. Но ученые выяснили, что можно построить установки, в которых ядерная энергия будет выделяться замедленно. Такие устройства были названы ядерными реакторами, или атомными котлами, а протекающие в них реакции – управляемыми.
Если паровые котлы и двигатели внутреннего сгорания сжигают тонны горючего, то атомные реакторы той же мощности расходуют не тонны, а граммы. А в природе этого горючего достаточно – разведенные запасы урана и тория в двадцать раз превосходят по количеству скрытой в них энергии все известные мировые запасы угля и нефти.
Атомный реактор скрыт за тяжелой бетонной или водяной защитой, поскольку его опасное излучение не должно вредить людям, работающим рядом. А по реакторному залу можно спокойно ходить и даже стоять прямо над атомным котлом, поскольку между полом и реактором находится толстая бетонная кладка, либо мощный слой воды.
Реактор состоит из нескольких основных частей.
Во-первых, это ядерное топливо – обычный, или обогащенный уран. В реактор его помещают в виде тонких длинных стержней. Природный уран состоит из смеси двух изотопов с атомными весами в 235 и 238 единиц (U-235 и U-238).
Ядра урана 238 трудно поддаются делению. Для деления им нужны нейтроны только очень высоких энергий. А нейтроны, рождающиеся при делении, быстро теряют скорость – такие нейтроны уран 238 может только захватить без всякой пользы – захватить и не разделиться. А урану 235 наоборот прекрасно подходят медленные нейтроны – чем медленнее – тем лучше. Однако в природном уране содержится лишь 0,7% урана 235. Поэтому ядерное топливо приходится обогащать, увеличивая этот процент. В связи с тем, что обогащение представляет собой довольно сложный технологический процесс, это значительно удорожает конечный продукт – обогащенный уран 235.
Вторая часть реактора – замедлитель нейтронов.
Если родившийся при делнии ядра нейтрон не замедлить, он не будет захвачен другим ядром урана 235, а попадет в ядро урана 238, где и пропадет без толку.
Хорошим замедлителем является графит. Еще лучше тормозит нейтроны тяжелая вода. Можно применять в качестве замедлителя и обычную воду. Летящий нейтрон отдает часть своей энергии ядрам замедлителя и теряет скорость. Теперь он готов к встрече с очередным ядром урана 235.
Третья часть реактора – отражатель.
Это тот же замедлитель, но расположенный вокруг реактора. Его атомы отражают нейтроны, стремящиеся покинуть котел.
Кроме того, в реакторе есть стержни, которые могут подниматься и опускаться, регулируя коэффициент прироста количества нейтронов в реакторе. Стержни изготавливают из материалов, активно поглощающих нейтроны. Чем глубже такие стержни погружены в реактор, тем больше нейтронов поглощают ядра их атомов. Автоматика управляет стержнями, ориентируясь на показатели регистраторов нейтронного потока. Из самых отдаленных участков котла идут сигналы о том, сколько там нейтронов: не повысилось ли их число (это опасно), не стало ли их слишком мало (тогда упадет мощность котла).
На случай возникновения опасности есть еще и дополнительные, аварийные стержни. При сигнале тревоги они падают внутрь реактора, собирают на себя все движущиеся нейтроны и реакция моментально останавливается.
Освобожденная внутриатомная энергия передается турбинам, которые вращают валы генераторов.
Осколки, образующиеся при делении ядер тяжелых атомов, разлетаются с колоссальной скоростью, унося с собой освобожденную энергию. Замедляясь, они передают энергию окружающим атомам. Температура в реакторе повышается. Здесь в дело вступает теплоноситель, призванный отвести тепло из реактора во внешнюю среду. Чаще всего через посредника (второй контур) теплоноситель передает тепло паровой турбине и возвращается обратно в реактор.
В качестве теплоносителя применяют воду, расплавленные металлы, газы.
Первый и второй контур являются замкнутыми, и вода в них не смешивается. Вода первого контура находится под воздействием нейтронов и сама становится радиоактивной. Вода второго контура – обычная очищенная вода. Именно ее пар и движет турбину. Чем горячее пар, попадающий в турбину, тем выше ее к.п.д. Чтобы вода второго контура сильнее нагревалась и легче превращалась в пар, нужно как можно выше поднять температуру воды первого контура.
Но кипеть она не должна. Для этого давление в первом контуре повышают до 100 атмосфер. При таком большом давлении вода остается водой и не превращается в пар даже при температуре 280 градусов. Во втором контуре, наоборот, необходимо чтобы вода как можно скорее закипела. Поэтому и давление здесь небольшое. Отдав тепло в парогенераторе, и охладившись с 280 до 190 градусов, вода первого контура снова возвращается в реактор, чтобы забрать очередную порцию тепла.
Производство электроэнергии - Ветряной двигатель
Принцип работы ветряного двигателя аналогиченводяному двигателю, только колесо с лопастями в нем вращает не вода, а ветер. При помощи ветряных двигателей приводят в движение насосы, выкачивающие воду из глубоких колодцев. Также их используют и для получения электрической энергии – для этого вал ветряка соединяется с генератором тока. Однако основная проблема ветряных двигателей – нестабильность работы, вызванная непредсказуемостью потоков ветра. Ветер дует с разной силой в разное время, а иногда и полностью стихает.
Для решения этой проблемы на ветряных электростанциях ставят накопители энергии, к примеру, высоко расположенные резервуары с водой. Пока есть ветер, часть вырабатываемой энергии заставляет работать насос, поднимающий воду на большую высоту. Когда ветер прекращается, вода начинает сливаться из резервуара, вращая турбину и соединенный с ней генератор. В иных случаях в одну систему объединяют множество ветряков, работающих на значительном удалении друг от друга. Тогда, если ветер есть хотя бы в районе нескольких, или даже одного ветряного двигателя, станция не прекращает подавать электроэнергию в сеть.
Производство электроэнергии - Водяной двигатель
Водяные двигатели, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращения, издревле используются людьми. Если до половины погрузить в реку колесо с лопастями на ободе, то оно начнет вращаться, поскольку вода начнет увлекать за собой нижние лопасти колеса. По такому принципу работали (и до сих пор работают) некоторые водяные мельницы. Водяное колесо мельницы насаживается на вал жернова и передает ему движение, необходимое для помола зерна. В середине 19 века водяной двигатель был модифицирован – появилась гидравлическая турбина. Появились и генераторы, преобразующие механическую энергию вращения в электрический ток. К концу 19 века началось сооружение первых ГЭС – гидроэлектростанций.
Ставить ГЭС непосредственно в русле реки нельзя: у реки не хватит силы чтобы провернуть тяжелую турбину. По иному дело обстоит на водопадах – там большая энергия падающей воды вполне позволяет использовать себя на благо человека. Однако водопадов в мире не так уж и много, а кроме того, на них крайне проблематично ставить турбины. Именно поэтому уже первые инженеры догадались ставить водяные двигатели, оборудованные гидрогенераторами, на искусственно сооруженных плотинах. Если перегородить реку прочной плотиной и заставить реку вытекать через небольшое отверстие, можно использовать энергию всего объема воды. Перед плотиной река поднимается и разливается, за плотиной – остается на прежнем уровне. А это значит, что появляется разница уровней и возникает напор воды.
Причем ГЭС имеет огромный плюс – напор перед плотиной сохраняется круглогодично, поскольку вода запасается в водохранилище, и стекает равномерно, несмотря на то, что зимой и летом река несет меньше воды, чем осенью и весной. А это позволяет производить на ГЭС электроэнергию без постоянных скачков, как это происходит с ветровыми генераторами, или приливными электростанциями.
Но есть и электростанции без плотин.
Обычно такие сооружения строят на горных реках, где есть большой перепад высот и напор воды весьма велик. Плотина на горной реке – очень дорогое и высокое сооружение. Поэтому, обыкновенно, воду к электростанции подводят посредством канала или тоннеля, называемого деривационным. В конце такого отвода строится здание ГЭС, устанавливаются турбины и электрогенераторы. Канал получает воду выше по течению относительно ГЭС, а сбрасывает ее ниже по течению.
Использованная разница в уровнях и дает напор, необходимый для движения турбины и выработки тока генератором водяного двигателя. Несмотря на то, что принцип работы ГЭС – прост, она обладает сложнейшим внутренним устройством – в ее состав входят: машинный зал, тело плотины, шлюзы, трансформаторные станции, рыбоподъемники и многое другое.
Строительство плотины – крайне дорогостоящее мероприятие. Основными материалами для строительства плотин являются земля и железобетон. Часто эти материалы используются совместно – в тех местах, где требуется просто удержать воду, применяется земля, а там, где необходимо сделать водосливы, турбинные камеры и другие активные участки плотины – применяется железобетон. На заранее рассчитанной высоте в плотине делают окна для пропуска воды во время паводка – это требуется, чтобы избежать повреждения или разрушения плотины избыточным количеством воды.
Иногда, если высокая плотина не требуется – ее строят ниже уровня паводкового подъема воды – и она спокойно переливается через водосливный участок гребня плотины. В подводной части плотины делаются трубы для подвода воды к турбинам. Они укрыты решетками, улавливающими подводный мусор – камни, ветки, бревна и т.п. В трубах устанавливаются затворки, позволяющие регулировать поток воды и полностью перекрывает его. Это требуется не только для регулировки работы ГЭС, но и для проведения ремонтных работ по турбине, когда требуется ее остановка.
Попадая на лопасти рабочего колеса турбины, вода заставляет их двигаться и отдает им свою энергию. После этого вода должна уйти в отсасывающую трубу. Причем она должна уйти максимально ровно – без завихрений и препятствий. Поэтому отсасывающие трубы делают гладкими и слегка расширяющимися к концу.
Рабочее колесо турбины вращается, двигая вал, связывающий его с ротором электрического генератора переменного тока. Генератор водяного двигателя вырабатывает переменный ток напряжением 10-15 тыс. в. Но, оказывается, электроэнергию в таком виде невыгодно передавать на большие расстояния из-за потерь на проводах. Поэтому напряжение повышают в 10-15 раз – сила тока падает, и ток меньше греет провода.
Напряжение повышают при помощи трансформатора.
В советское время в нашей стране были построены мощнейшие ГЭС: Волжская – 2350 тыс. кВт, Братская – 4500 тыс. кВт, Красноярская – 5000 тыс. кВт.
Производство электроэнергии - Геотермальная электростанция
Еще один крупный источник энергии скрыт глубоко под землей. Там, на глубине полутора, двух, а то и трех километров, существуют целые моря, заполненные горячей водой. Такие источники есть в Италии и Исландии, у нас на Камчатке, на Северном Кавказе, в Сибири и даже в Подмосковье. Вода в этих морях не только очень горяча, но и сжата колоссальным окружающим давлением. Поэтому достаточно пробурить к такому «морю» скважину, чтобы вода хлынула фонтаном.
Подземный кипяток можно использовать по-разному. Например, подогревать воду в пла-вательных бассейнах, как делают в исландской столице Рейкьявике, или пускать в бани и трубы отопления, как это делается в Махачкале. Но можно и строить геотермальные электростанции.
Так, в городе американском городе Термо (штат Юта) построена геотермальная электростанция, питающая электричеством 9 тысяч домов. Любопытной особенностью станции является то, что использованный источник является низкотемпературным, выдавая всего 90-150 градусов. При этом обычно считается, что строить геотермальные электростанции можно лишь при температуре воды свыше 180 градусов.
Но американские инженеры «схитрили», используя в качестве теплоносителя не саму воду из скважины, а специфическое вещество с низкой температурой кипения. Теплоноситель подогревается термальными водами, а после идет в паровую турбину. Дальнейший путь аналогичен работе паровой турбины на ТЭЦ – теплоноситель попадает в конденсатор, охлаждается и снова попадает в теплообменник, где нагревается водой.
Станция собрана в виде 50 отдельных модулей, каждый из которых содержит в себе «нагревательный котел» - теплообменник, турбину и генератор тока. Каждый модуль выдает мощность порядка 0,25 МВт. Часть вырабатываемой энергии тратится на внутренние нужды – работу механизмов, техники и электроники, обеспечивающих работу станции. Чистый выход энергии составляет 10-11 МВт. Стоимость энергии с этой геотермальной станции на момент запуска в 2009 году составляло 7,8 центов за КВт/час.
В пересчете на рубли это составляет 2,30 руб., что сравнимо со стоимостью сетевого электричества, полученного на стандартных тепловых станциях.
Производство электроэнергии - Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания появился примерно через 100 лет после паровой машины. И хотя он в чем-то на нее похож, однако работает этот двигатель гораздо лучше. Он быстрее, экономичнее, и имеет более высокий к.п.д., доходящий до 35 и даже 39%. При одной и той же мощности двигатель внутреннего сгорания почти втрое легче паро-вой машины.
У этого двигателя также есть цилиндр и поршень. Только в цилиндр впускают не пар, а горючую смесь — воздух и топливо (бензин, керосин, соляровое масло, нефть). Порция топлива сгорает между головкой цилиндра и днищем поршня — в камере сгорания. Сгорая, бензин, керосин или нефть превращаются в газ, который занимает примерно в 800 раз больший объем. Потому в камере очень резко повышается давление.
Двигатель внутреннего сгорания работает по определенному циклу. Под давлением газа поршень быстро отходит назад. Это рабочий ход: отходя, поршень через шатун заставляет вращаться коленчатый вал. Потом, вращаясь уже по инерции, работая как маховик, коленчатый вал возвращает поршень к головке цилиндра. Во время этого хода открыт выпускной клапан, и через него поршень выталкивает отработавшие газы.
Следующий свой ход — назад — поршень тоже делает по инерции коленчатого вала с маховиком. В это время открыт уже впускной клапан. Работая как насос, поршень всасывает через этот клапан следующую порцию смеси. Наконец, поршень опять движется вперед с помощью маховика. На этот раз клапаны закрыты — происходит сжатие смеси в цилиндре перед воспламенением. Сжатие необходимо, чтобы рабочий ход был как можно сильнее.
Теперь топливо снова воспламеняется, повторяется рабочий ход, а дальше — все, как раньше. Рабочий ход — выпуск — наполнение — сжатие; рабочий ход — выпуск — наполнение — сжатие. На этом цикл завершается. Так происходит четыре хода поршня и четыре такта в работе двигателя. Поэтому вышеописанный двигатель и называется четырехтактным.
Есть множество разных типов четырехтактных двигателей. На легковых автомобилях и нереактивных самолетах чаще всего работают карбюраторные бензиновые двигатели: в них жидкое топливо (обычно бензин) распыляется воздушной струей в особом приборе — карбюраторе — и в виде смеси паров топлива с воздухом входит в цилиндр. После сжатия эта смесь воспламеняется электрической искрой от свечи.
Тракторы, танки, мощные грузовики, как правило, имеют другие двигатели — дизельные. В этих двигателях поршень засасывает через клапан чистый воздух. Клапан закрывается, происходит сильное сжатие. В карбюраторных двигателях поршень сжимает смесь топлива с воздухом в 6—8 раз, а воздух в цилиндре дизеля нужно сжать раз в 15—20, тогда он сразу разогреется до 800°. Если в такой сжатый горячий воздух впрыснуть через форсунку порцию жидкого дизельного топлива, то от высокой температуры топливо воспламенится.
На мотоциклах, мотороллерах, кораблях-теплоходах и некоторых тяжелых грузовиках можно увидеть двигатели внутреннего сгорания, работающие не в четыре такта, а в два. Эти двухтактные двигатели действуют следующим образом.
Первый такт. Топливо сжигается в камере сгорания, воспламенившись от электрической искры (в мотоциклетных моторах) или от температуры сжатого воздуха (в тяжелых судовых двигателях). Поршень под давлением газов движется назад. Это рабочий ход. В стенках цилиндра вырезаны окна, которые закрыты телом поршня, когда он в переднем положении. Но, отходя назад, поршень постепенно открывает эти окна. Через одно из них происходит выпуск отработавших газов; через другое насос подает либо смесь топлива с воздухом из карбюратора, либо чистый воздух, если это дизель.
Второй такт. Поршень по инерции коленчатого вала с маховиком идет вперед. Он закрывает собой выпускные и продувочные окна (их обычно бывает по нескольку), и сжимает свежую смесь или воздух в цилиндре. В переднем положении поршня электрическая свеча дает искру либо форсунка впрыскивает топливо. И все начинается сначала.
Двухтактные двигатели, казалось бы, выгоднее четырехтактных, потому что на каждый рабочий ход у них приходится не три холостых, а всего один. Однако из-за потерь энер-гии при продувке, из-за неполноты рабочего хода и по некоторым другим причинам двухтактные двигатели внутреннего сгорания в целом уступают четырехтактным.
Производство электроэнергии - Космическая солнечная электростанция
Основной принцип идеи солнечных космических электростанций заключается в том, что установки, расположенные на поверхности Луны, или в космосе концентрируют солнечное излучение и передают его в виде микроволнового пучка на приемник, расположенный на поверхности Земли.
В проектах по строительству космических электростанций на поверхности Луны предполагается использование местных материалов. Луна представляет собой великолепное место для размещения солнечных батарей, поскольку на ней нет облаков и пыли, мешающих проникновению энергии Солнца на поверхность Земли. Кроме того, на поверхность Луны поступает значительно более широкий спектр излучения, что позволяет получать больше энергии с единицы поверхности. Однако в космосе вообще и на поверхности Луны в частности, существует проблема микрометеоритов, повреждающих покрытие батарей и оборудование. И если оборудование гипотетически можно защитить, то вот поверхность солнечных батарей будет постоянно подвергаться «бомбардировкам», теряя рабочие элементы.
Также стоит отметить, что при значительном количестве передаточных звеньев между получением солнечной энергии на Луне и ее приемом на Земле, выгода от такого размещения может оказаться сомнительной. Ведь потери на каждом этапе преобразования и передачи просто сведут на нет выгоду от различий в мощности солнечного излучения на Луне и на Земле. Проще будет разместить те же самые батареи сразу на поверхности Земли.
Вопрос размещения солнечных батарей в космосе волнует ученых не первое десятилетие.
За это время была предложена масса самых разнообразных по сложности и фантастичности проектов, однако ни один из них пока не добрался даже до этапа тестирования.
В целом, идею привлекательности космических солнечных электростанций можно пояснить так. Если на геостационарной орбите Земли разместить полосу шириной 1 километр, то такая полоса за один год получит 212 тераватт энергии. И это при том, что энергоемкость ВСЕХ разведанных запасов нефти составляет не более 250 тераватт.
В целом космическая энергосистема выглядит так: зеркала-концентраторы направляют на солнечную панель излучение, которое преобразуется в мощный микроволновый луч с частотой 2,5 – 6 Ггц, который и направляют на приемную станцию, расположенную на поверхности Земли.
Такая система позволяет концентрировать зеркалами на 35% больше излучения, которое рассеивается при попадании в атмосферу Земли. Кроме того, геостационарные спутники позволяют поставлять энергию стабильно и непрерывно, что тоже немаловажно, ввиду отсутствия на сегодняшний день выгодных устройств для аккумулирования больших объемов энергии.
В свою очередь, микроволновая передача энергии позволяет довести к.п.д. передачи до 80-90%, а это очень и очень много. Но использование микроволнового излучения накладывает ряд ограничений.
Во-первых, это размер передатчика – даже при низшей границе частоты передачи в 2,5 Ггц он составит около километра. Приемник же придется делать и того больше – около 10 километров. Во-вторых, электронные компоненты, позволяющие преобразовывать свет в микроволновое излучение и работать при огромных температурах, пока существуют лишь в виде малопригодных к промышленному использованию лабораторных прототипов.
И, наконец, размеры зеркал и солнечных батарей оказываются в разы больше передатчика – а это километры материалов, которые нужно не только поднять на орбиту, но и собрать и настроить. Но не стоит забывать и об эксплуатационных расходах на содержание подобных технологических чудес. Ведь космос обыкновенно стоит космических же денег.
А у нас и на поверхности пока дел и проблем предостаточно.
Производство электроэнергии - Осмотическая электростанция
24.11.2009 в Норвегии начала работу первая в мире электростанция, использующая разность солености морской и пресной воды для получения электроэнергии.
Осмотической эта электростанция названа потому, что принцип ее работы основан на использовании явленияосмоса. Выглядит это так. Емкость, наполненную морской соленой водой соединяют с емкостью с обычной пресной водой через полупроницаемую мембрану. Молекулы воды стремятся перейти в ту емкость, где их меньше на единицу объема – то есть, в емкость с морской водой.
Теперь, если бак с соленой водой герметично закрыть, давление в нем начнет повышаться, поскольку молекулы воды будут пребывать и прибывать.
В построенной осмотической электростанции, в отсеке с морской водой создается давление, эквивалентное давлению столба воды высотой 120 метров. Это давление приводит в движение турбину, вал которой приводит в движение электрогенератор.
Создатель установки, компания StatKraft, оценивает общемировой потенциал осмотической энергетики в районе 1600 Тераватт/часов, что составляет 10% общемирового потребления.
Комментариев нет:
Отправить комментарий