Значительно более высоким КПД обладают гидроэлектростанции (ГЭС) ввиду отсутствия на них термодинамического цикла (преобразования тепловой энергии в механическую). На ГЭС используется энергия рек . Путем сооружения плотины создается разность уровней воды. Вода, перетекая с верхнего уровня на нижний либо по специальным трубам – турбинным трубопроводам, либо по выполненным в теле плотины каналам, приобретает большую скорость. Струя воды поступает далее на лопасти гидротурбины. Ротор гидротурбины приводится во вращение под воздействием центробежной силы струи воды. Таким образом, на ГЭС осуществляется преобразование:
Поэтому теоретически их КПД может достигать 90%. Кроме того, ГЭС являются маневренными станциями, время пуска их агрегатов исчисляется минутами. Гидроэнергетика представляет отрасль науки и техники по использованию энергии движущийся воды (как правило, рек) для производства электрической, а иногда и механической энергии. Это наиболее развитая область энергетики на возобновляемых ресурсах. Важно отметить, что в конечном итоге возобновляемость гидроэнергетических ресурсов также обеспечивается энергией Солнца. Действительно, реки представляют собой поток воды, движущийся под действием силы тяжести с более высоких на поверхности Земли мест в более низкие, и, в конце концов, впадают в Мировой океан. Под действием солнечного излучения вода испаряется с поверхности Мирового океана, пар ее поднимается в верхние слоя атмосферы, конденсируется в облака, выпадает в виде дождя, пополняя истощаемые водные запасы рек. Таким образом, используемая энергия рек является преобразованной механической энергией Солнца . Часто бывает, что в силу тех или иных изменений атмосферных условий этот кругооборот нарушается, реки мелеют или даже полностью высыхают. Другим крайним случаем является нарушение этого кругооборота, приводящее к наводнениям. Для исключения этих обстоятельств на реках перед гидроэлектростанциями строят плотины, формируются водохранилища, с помощью которых регулируется постоянный напор и расход воды. В странах, расположенных на берегах морей и океанов, возможно строительство приливных ГЭС, которые используют энергию приливов, возникающих за счет сил гравитационного взаимодействия Земли, Луны и Солнца. Опыт строительства и эксплуатации приливных ГЭС имеется, например, во Франции (1985 г.) и в бывшем СССР на Баренцовом море. В XX в. строились также ГЭС небольшой мощности, где в качестве преобразователя кинетической энергии воды в механическую энергию для вращения электрогенератора использовались водяные турбины. Энергия, заключенная в текущей воде, многие тысячелетия верно служит человеку. Огромным аккумулятором энергии является мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. В нем плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские течения. На земле рождаются многочисленные реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. И люди раньше всего научились использовать энергию рек в качестве путей сообщения. Когда наступил золотой век электричества, произошло возрождение водяного колеса в виде водяной турбины. Считают, что современная гидроэнергетика родилась в 1891 г.
В нашей стране гидроэлектростанции начали строить в 30-х годах прошлого века. Первенцем была Чигиринская ГРЭС на реке Друть в Могилевской области. В довоенные годы был построен ряд небольших гидроэлектростанций на малых реках. Большинство из них в годы войны были разрушены, а в первые послевоенные годы восстановлены и построены новые. К концу 1956 г. в нашей республики насчитывалось 162 ГЭС общей установленной мощностью 11854 кВт. Однако, начиная с 60-х годов, они начали закрываться, не выдержав конкуренции с большой энергетикой. В последние годы во многих странах мира, особенно в Японии, Англии, странах Скандинавии, возрастающий интерес проявляется к получению энергии от морских волн, в результате чего эксперименты переросли в стадию реализации проектов. Создано большое количество различных центров, поглощающих и преобразовывающих волновую энергию. В результате воздействия сил притяжения Луны и Солнца происходят периодические колебания уровня моря и атмосферного давления, что приводит к образованию приливных волн, которые и используются для выработки электроэнергии на приливных электростанциях (ПЭС). Из современных приливных электростанций наиболее хорошо известны крупномасштабная электростанция Ране мощностью 240 МВт (Бретань, Франция), построенная в 1967 году на приливах высотой до 13 м, и небольшая, но принципиально важная опытная станция мощностью 400 кВт в Кислой Губе на побережье Баренцева моря (Россия) . Блоки этой ПЭС буксировались на плаву в нужные места для включения ее в местные энергосети в часы максимальной нагрузки электроэнергии потребителями. Неожиданной возможностью океанской энергетики оказалось выращивание с плотов в океане быстрорастущих гигантских водорослей, легко перерабатываемых в метан для энергетической замены природного газа. Большое распространению получает использование биомассы для получения электроэнергии. Большое внимание приобрела «океанотермическая энергоконверсия» (ОТЭК), то есть получение электроэнергии за счет разности температур между поверхностными и засасываемыми насосами глубинными океанскими водами, например, при использовании в замкнутом цикле турбины таких легко испаряющихся жидкостей, как пропан, фреон или аммоний.
Большие запасы энергии содержаться в местах впадения пресноводных рек в моря и соленые водоемы. При наличии перепадов солености возникает осмотическое давление, которое может быть использовано для производства энергии, например, с помощью мембранных установок и другими способами. Остается заманчивой идея использования потока теплой воды Гольфстрима, несущего ее вблизи берегов Флориды со скоростью 5 миль в час. Наконец, не следует забывать, что химическая формула воды НОН (Н 2 О) содержит газ водород, который после извлечения из воды может использоваться в качестве горючего для самолетов, автомобилей, автобусов, как используется в настоящее время для этих целей сжиженный газ, газ метан. И опыт использования водорода в качестве топлива уже есть. На базе кузова и шасси автобуса MERSEDES-BENZ создан электробус на топливных элементах, получивший название NEBUS. В качестве топлива для него используется водород, который размещается в баллонах, установленных на крыше автобуса. NEBUS тяжелее базового автобуса на 3500 кг. При этом масса баллонов с водородом составляет 1900 кг. Силовая установка машины разработана канадской компанией Ballard. По габаритам она примерно соответствует дизелю, применяемому на автобусе этого типа. Мощность батареи топливных элементов – 250 кВт, пробег – 200 км. Для приведения в движение автобуса, рассчитанного на 42 места, применяются асинхронные двигатели мощностью 75 кВт. Количество вредных выхлопных газов, уровень шума у него меньше, чем у автобусов аналогичного класса 1. Гидроэнергетика базируется на использовании возобновляемых гидроэнергетических ресурсов, представляющих собой преобразованную энергию Солнца. Например, в Норвегии более 90 % электроэнергии вырабатывается на ГЭС. Стоимость 1 кВт-ч этой энергии обычно не более 0,04 доллара США, и она легко регулируется по мощности. Наряду с преимуществами у ГЭС имеются и недостатки, которые в ряде случаев ограничивают возможности их строительства и использования. Прежде всего это экологический ущерб, связанный с заполнением водой больших площадей при создании водохранилищ. В процессе эксплуатации станций происходит заиливание водохранилищ и плотин, изменяется климат, нарушаются условия для миграции рыб и др. Для ГЭС также характерны большие капитальные затраты на строительство .
Наша республика – преимущественно равнинная страна. В Государственной программе отмечается, что потенциальная мощность всех водотоков Беларуси равна 850 МВт. Технически возможно использовать около 520 МВт, экономически целесообразно – 250 МВт. В качестве основных направлений гидроэнергетики в Беларуси определены реконструкция и восстановление существующих ГЭС и сооружение новых различной мощности. Гидроэлектростанции подразделяются: в конструктивном отношении по схеме и составу основных гидротехнических сооружений на приплотинные и деривационные, сооружаемые на крупных, средних и малых реках; в народнохозяйственном отношении на крупные, средние и малые; по величине напора на низконапорные, средненапорные и высоконапорные. Различают также гидроэлектростанции по характеру регулирования речного стока их водохранилищами: с длительным (многолетним, годовым и сезонным), краткосрочным (суточным или недельным) регулированием и совсем без регулирования. В приплотинных ГЭС водосток регулируется посредством плотин. В деривационных ГЭС большая или существенная часть напора создается посредством безнапорных или напорных деривационных водоводов. В качестве безнапорного деривационного водовода могут быть использованы каналы, лотки, безнапорные туннели или сочетание этих типов водоводов. С самого начала (примерно с 80-х годов прошлого столетия) для производства электроэнергии в гидроэнергетике использовались в основном гидравлические турбины. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. в качестве основных направлений развития малой гидроэнергетики в стране предусматривает:
– восстановление ранее действовавших малых гидроэлектростанций на существующих водохранилищах путем капитального ремонта и частичной замены оборудования;
– строительство новых малых ГЭС на водохранилищах неэнергетического назначения без затопления;
– создание малых ГЭС на промышленных водосбросах;
– сооружение бесплотинных (русловых) ГЭС на реках со значительными расходами воды.
Общую мощность малых ГЭС в республике предполагается довести к 2010 г. до 100 МВт. Бассейны рек Западная Двина и Неман, протекающих по территории Беларуси, относятся к зонам высокого гидроэнергетического потенциала, и использование его еще в 40-х годах XX в. намечалось путем строительства многоступенчатых каскадов ГЭС. Гидроресурсы Беларуси оцениваются в 850-1000 МВт.
Мировой океан содержит колоссальные запасы энергии. Внутренняя энергия воды (тепловая), соответствующая перегреву воды на поверхности океана, по сравнению с донными, например, на 20 градусов, имеет значение около 10^26 Дж. Кинетическая энергия течений в океанах оценивается величиной около 10^18 Дж. Но люди сегодня умеют использовать только самую малую долю этой энергии, при этом ценой больших и долго окупающихся капиталовложений. Поэтому энергетика, основанная на использовании внутренней энергии воды, до наших дней казалась малоперспективной.
Но ограниченные запасы ископаемых топлив (газа и нефти), использование которых способствует загрязнению экологии, истощение запасов урана (наряду с опасными радиоактивными отходами), а также неопределенность сроков и последствий влияния на экологию использования в промышленности термоядерной энергии вынуждает инженеров и ученых уделять больше внимания поиску новых возможностей применения безвредных источников энергии: разницы в уровне воды в реках, а также тепла солнца, энергии Мирового океана, ветра. Общественность, а также многие инженеры еще не знают, что работы по извлечению внутренней энергии воды из океанов и морей в последние годы в некоторых странах приобрели уже большие масштабы, что у них есть обещающие перспективы. Океан хранит в себе несколько видов энергии: энергию океанских течений, приливов и отливов, термальную энергию воды (внутреннюю) и некоторые другие.
Энергия приливов
Самым очевидным способом применения энергии океанов является запуск приливных электростанций (ПЭС). Во Франции с 1967 года в устье реки Ранс на приливах, высота которых достигает13 метров, функционирует ПЭС мощностью 240 тыс. кВт с ежегодной отдачей 540 тыс. кВт/ч. Отечественный инженер Бернштейн выявил удобный метод постройки блоков ПЭС, которые можно буксировать в нужные места на плаву, рассчитал рентабельную последовательность включения электростанции в энергосети в часы их наибольшей нагрузки потребителями энергии. Идеи его уже опробованы на ПЭС, созданной в 1968 году возле Мурманска в Кислой Губе; дальше они будут проверены на ПЭС на 6 млн. кВт на Баренцевом море в Мезенском заливе.
В 70-х годах положение в энергетике поменялось. Каждый раз при поднятии поставщиками в Африке, на Ближнем Востоке и в Южной Америке цен на нефть, энергия приливов становилась все более заманчивой, так как она превосходно конкурировала в стоимости с ископаемыми видами топлива. В скором времени в Южной Корее, Советском Союзе и Англии увеличился интерес к очертаниям береговых линий и возможностям сооружения на них энергетических установок. В этих странах серьезно задумались о применении энергии приливов волн и начали выделять средства на исследования данной области.
Маяки и бакены, использующие энергию волн, усеяли побережья морей и океанов Японии. Бакены – свистки береговой охраны США уже годами действуют благодаря колебаниям волн. Сегодня уже практически не осталось прибрежных районов, где бы ни было своего собственного изобретателя, создающего устройства, работающие на основе энергии волн. С 1966 года, два города во Франции удовлетворяют свои потребности в электричестве полностью за счет энергии приливов и отливов.
Получение энергии на основе разности химического состава воды
В водах океана растворено множество солей. Можно ли использовать соленость воды в качестве источника энергии? Можно. Большое содержание солей в океане навело ученых Скриппского института океанографии в Ла-Колла (Калифорния) на мысль о создании таких сооружений. Они пришли к выводу, что для получения большого количества энергии можно создать батареи, где бы происходили реакции между несоленой и соленой водой.
Энергия биомассы мирового океана
В водах океана содержится прекрасная среда для поддержания жизни, в составе которой находятся питательные вещества, соли и минералы. В этой среде кислород, растворенный в воде, питает всех животных морей - от мельчайших до самых больших. Углекислый газ, растворенный в воде, способствует жизни морских растений - от диатомовых одноклеточных водорослей до бурых водорослей, которые достигают высоты 200-300 футов(60-90 метров). Морскому биологу стоит сделать один шаг вперед, и он сможет перейти от восприятия океана в качестве природной системы поддержания жизни к попытке извлечения на научной основе энергии из этой системы. В середине 70-х годов при поддержке ВМФ США группа ученых в области исследования океана, водолазов, морских инженеров создала первую в мире энергетическую ферму в океане на глубине40 футов(12 метров) под гладью Тихого океана, залитой солнцем, рядом с городом Сан-Клемент. Ферма имела небольшие размеры, это был эксперимент. На ней выращивались гигантские бурые водоросли. Директор проекта доктор Говард А. Уилкокс, являющийся сотрудником Центра исследований океанских и морских систем в Сан-Диего (Калифорния), считает, что до 50% энергии полученных водорослей можно превращать в топливно-природный газ метан (С2Н6). Фермы будущего, производящие водоросли на площади около100000 акров(40 тыс. га), смогут вырабатывать энергию, достаточную для того чтобы удовлетворить потребности города в США с населением 50000 человек.
Энергия течений в океанах
Группа океанологов заметила тот факт, что течение Гольфстрим несет воды рядом с берегами Флориды со скоростью5 миль в час. Идея применить этот теплый поток воды заманчива. Возможно ли это? Смогут ли гигантские подводные пропеллеры и турбины, похожие на ветряные мельницы, вырабатывать электричество, получая энергию из течений и волн? Комитет Мак-Артура, находящийся под эгидой Национального управления по исследованию атмосферы и океана в Майами (Флорида) в 1974 сделал заключение, что СМОГУТ. Общее мнение состояло в том, что определенные проблемы есть, но они все могут решиться в случае выделения ассигнований, так как «в данном проекте нет ничего, что бы превышало возможности технологической и современной инженерной мысли».
Термальная энергия океана (внутренняя энергия воды)
Заметное внимание получила «океанотермическая энергоконверсия» (ОТЭК) – генерирование электрической энергии на основе разности между температурами воды на поверхности океана и глубинными океанскими водами, засасываемыми насосом, например, при использовании в замкнутом цикле турбины фенола или аммония (легкоиспаряющихся жидкостей).
Температура океанской воды различна в разных местах. Между тропиком Козерога и тропиком Рака поверхность воды прогревается до 82 градусов по Фаренгейту (27°С). На глубине около 2000 футов(6000 метров) температура снижается до 35-38 градусов по Фаренгейту (2-3,5°С). Можно ли использовать разницу температур, т.е. внутреннюю энергию воды в целях получения электрической энергии? Может ли тепловая энергоустановка, находящаяся под водой, производить электричество? Да, может.
В далекие 1920-е годы Жорж Клод, решительный, настойчивый и одаренный французский физик реши исследовать эту возможность. Он выбрал участок океана рядом с берегами Кубы, сумел после нескольких неудачных попыток создать установку 22 кВт мощностью. Это стало научным достижением и приветствовалось множеством ученых. Применяя теплую воду с поверхности океана и холодную с глубины, создав соответствующую технологию, мы имеем все необходимое для генерирования электроэнергии, уверяли сторонники применения внутренней энергии воды океана. «По оценкам, полученным нами, в водах поверхности океана существуют запасы энергии, превышающие в 10000 раз общемировую потребность в энергии». «Увы, - отрицали скептики, - Жорж Клоду удалось получить лишь 22 киловатта электроэнергии в заливе Матансас. Дало ли это прибыль?» «Нет, не дало, так как для получения этих 22 киловатт, Клоду пришлось затратить на работу насосов 80 киловатт».
В наше время профессор Скриппского океанографического института Джон Исаакс выполняет вычисления более аккуратно. По его данным, современная технология поможет создать энергоустановки, применяющие для выработки электроэнергии разницу температур в водах океана (внутреннюю энергию воды), которые вырабатывали бы его в два раза больше, чем потребляет весь мира на сегодняшний день. Это будет электрическая энергия, которая преобразует термальную энергию океана (ОТЕС).
1 М 3 воды обладает потенциальной энергией На высоте 124 м – 1000*9,8*124= Дж (Красноярская ГЭС – Россия)
Крупнейшие гидроэлектростанции России Наименова ние Мощ- ность, ГВт Среднегодовая выработка, млрд кВт·ч Геогра- фия Саяно- Шушенская 6,4023,50р. Енисей (г. Саяногорск) Красноярская 6,0020,40р. Енисей (г. Дивногорск) Братская 4,5022,60р. Ангара (г. Братск) Усть-Илимская 4,3221,70р. Ангара (г. Усть-Илимск)
Ветряная электростанция несколько ветрогенераторов, собранных в одном, или нескольких местах. Крупные ветряные электростанции могут состоять из 100 и более ветрогенераторов. Иногда ветряные электростанции называют ветряными фермами (от англ. Wind farm). ветрогенераторов.
Прили́вная электроста́нция (ПЭС) особый вид гидроэлектростанции, использующий энергию приливов, а фактически кинетическую энергию вращения Земли. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров. Крупнейшая в мире приливная электростанция Ля Ранс, Франция
Для получения энергии залив или устье реки перекрывают плотиной, в которой установлены гидроагрегаты, которые могут работать как в режиме генератора, так и в режиме насоса (для перекачки воды в водохранилище для последующей работы в отсутствие приливов и отливов). В последнем случае они называются гидроаккумулирующая электростанция
В России c 1968 года действует экспери- ментальная ПЭС в Кислой губе на побе- режье Баренцева мо- ря мощностью 0,4 МВт. ПЭС в Мезенской губе (мощность МВт) на Белом море. Высота её плотины 6м длина 93 м.9 Макет приливной электростанции
Традиционные энергоресурсы не вечны и рано или поздно закончатся, а с учетом возрастающего энергопотребления это произойдет скорее рано, чем поздно, поэтому так важно использование альтернативной энергии.
С давних пор люди, наблюдая за течением рек и падением водопадов, поняли, как можно использовать энергию воды.
Что может быть проще и гениальнее водяной мельницы?
Вода, вращая колесо, преобразует кинетическую энергию движущегося потока в механическую работу колеса. Современные гидроэлектростанции работают на том же принципе, но на них механическая энергия дополнительно превращается в электрическую.
Долгое время, периодически повторяющиеся, приливы и отливы не могли объяснить. Сейчас уже понятно, что Солнце и Луна своей гравитацией создают неравномерное распределение воды в океане.
Появляются водяные «горбы», которые за счет вращения земли перемещаются к берегу. Но из-за вращения меняется и положение океана, что вызывает уменьшение гравитации.
Прилив заполняет специальные резервуары, которые образуют дамбы на берегу. Во время отлива вода движется обратно и этот поток вращает турбины.
Чем больше разница высот прилива и отлива, тем большая энергия используется. была как можно больше. Поэтому выгоднее создавать приливные электростанции в узких местах, где разница высот не менее 10 метров. Примером может служить приливная электростанция в устье реки Ранее во Франции.
К недостаткам таких станций можно отнести то, что при создании дамбы увеличивается амплитуда приливов, а это приводит к затоплению суши соленой водой и, как следствие, изменяется экология.
Природа энергии морских волн схожа с энергией приливов, но все же принято рассматривать ее отдельно.
У этой энергии довольно большая удельная мощность - средняя мощность волнения океана 15 кВт/м, при высоте волны около двух метров, это значение может достигать 80 кВт/м. Но это примерные данные, т.к. не вся энергия морских волн превращается в электрическую - коэффициент преобразования 85%.
Из-за сложности создания установок, использование энергии морских волн не нашло широкого применения и находится только на стадии освоения.
Но если она будет освоена, то можно быть уверенным, что современная энергетика перестанет быть глобально зависимой от ископаемых источников энергии: угля, нефти и газа.
Энергия водного потока доступна человеку еще со времен создания мельниц.
Сейчас на пути потоков воды ставятся гидроэлектростанции, которые преобразуют эту энергию в электрическую.
Мощность энергии зависит от высоты падения, поэтому на ГЭС строят плотины, которые позволяют регулировать уровень подъема и величину потока воды.
Создание мощной ГЭС трудоемко и очень дорого, но со временем полностью себя окупает, т.к. водные ресурсы неисчерпаемы и доступны в любое время.
К недостаткам создания ГЭС можно отнести:
Уменьшают это влияние новые методы работы станций и одним из таких методов стали аккумуляторы воды.
После того как вода проходит через турбины она накапливается в больших резервуарах и когда нагрузка на ГЭС минимальна, то за счет энергии тепловой или атомной станции накопленная вода перекачивается обратно наверх и цикл повторяется.
Во Франции придумали использовать энергию падающего дождя!
Попадая на пьезокерамический элемент, каждая капля вызывает возникновение электрического потенциала. Затем электрический заряд видоизменяется в колебания, пригодные для использования.
Гидроэнергетика сейчас уже развита во многих странах и составляет 25% от общего объема электроэнергии. А темпы ее развития позволяют считать ее очень перспективным направлением.
Осадчий Г. Б., инженер
Известно, что первоисточником гидроэнергии является солнечная энергия. Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечного излучения, конденсируется в высоких слоях атмосферы в виде капелек, собирающихся в облака. Вода облаков выпадает в виде дождя и снега. Круговорот воды в природе происходит под влиянием солнечной энергии, таким образом, кинетическая энергия движущейся в реках воды есть, образно говоря, освобожденная энергия Солнца.
Гидроэлектростанции (ГЭС) могут быть сооружены там, где имеются гидроресурсы и условия для строительства, что часто не совпадает с расположением потребителей электроэнергии. При сооружении гидроэлектростанции обычно предполагается решение комплекса задач, а именно: выработки электроэнергии, улучшение условий судоходства и орошения. При наличии водохранилищ ГЭС может быть целесообразно использована для работы в пиковой части суточного графика объединенной энергосистемы с частыми пусками и остановками агрегатов. Это позволяет агрегатам части атомных и тепловых станций работать в наиболее экономичном и безопасном режиме, резко снижая при этом удельный расход топлива на производство 1 кВт∙ч электроэнергии в энергосистеме.
По статистическим данным в большинстве случаев аварии плотин отмечаются в период их строительства или в начальные период эксплуатации - в течение 5 – 7 лет после наполнения водохранилища. За это полностью проявляются дефекты производства работ, устанавливается фильтрационный режим, и определяются деформации сооружения. Затем наступает длительный период - около 40 – 50 лет, когда состояние сооружения стабилизируется и аварии маловероятны. После этого опасность аварий вновь увеличивается в результате развития анизотропии свойств, старения материалов и пр. Сейчас в России средний износ гидротехнических сооружений, определяемый по сроку службы, на самых крупных российских ГЭС мощностью более 2000 МВт составляет 38 %, а по ГЭС мощностью от 300 до 2600 МВт - 45 %.
В зонах риска каждого крупного водохранилища (емкостью более 10 млн м 3) расположено более 300 населенных пунктов с населением до 1 млн человек, а также многочисленные объекты экономики
Несмотря на относительную дешевизну энергии, получаемой за счет гидроресурсов, доля их в энергетическом балансе постепенно уменьшается. Это связано как с исчерпанием наиболее дешевых ресурсов, так и с большой территориальной емкостью равнинных водохранилищ. Считается, что в перспективе мировое производство энергии ГЭС не будет превышать 5 %.
Весной через створы существующих ГЭС проходит в среднем 60 % годового стока воды . При этом от 10 до 25 % годового стока воды гидроэлектростанции сбрасывается вхолостую из-за отсутствия регулирующей емкости водохранилища. Это, в первую очередь касается низконапорных плотин и турбин на реках Среднерусской равнины, в результате чего в течение года и, особенно во время весенних паводков заливаются слишком большие площади полезных земель.
Под стать размерам водохранилищ и площади сбора воды для них. Реки питаются водой с огромных площадей (таблица 1).
Таблица 1 – Данные о речном стоке отдельных стран мира
Как видно из таблицы 1 удельная водность питающих реки водой бассейнов поразительно низкая, в то время как современная «ветровая ферма» в европейских климатических условиях может обеспечить генерацию 12 – 16 МВт электроэнергии с 1 км 2 занимаемой площади.
В то же время при относительно низкой удельной водности малые поверхностные водотоки горных районов несут в себе много холода , который можно использовать в паросиловых (термодинамических) циклах для расширения интервала температур теплосилового цикла малых энергоустановок, за счет снижения температуры нижней части цикла.
Как известно, чем южнее расположена та или иная территория, тем летом там жарче и труднее найти в достаточных объемах холода (холодной воды) для эффективной работы теплосилового цикла гелиоводотема, гелиоэлектростанции или гелиохолодильника. Исключения, как правило, составляют горные и предгорные области, где малые водотоки (ручьи, ручейки и родники), не представляющие никакого интереса для гидроэнергетики, протекая, уносят безвозвратно огромное объемы холода на равнинные территории.
Этот холод малых водотоков можно использовать, совместно с энергией солнечных соляных прудом, вместо холода котлованов со льдом , которые актуальны для равнинных территорий .
Для создания гелиоэнергетики, способной конкурировать с традиционной также как и для геотермальной энергетики подходит идея нового, «холодного», направления в развитии теплоэнергетики.
«Холодное» направление непосредственно связанно с привлечением научного задела и опыта, накопленного как в энергетике, так и в холодильных производствах, в том числе автором данной статьи .
Представлено это направление д.т.н. Бродянским В.М. в следующем виде: «До последнего времени основным препятствием в сближении низкотемпературной техники и теплоэнергетики было традиционное применение воды в качестве единственно возможного и незаменимого рабочего тела на крупных электростанциях всех типов , как КЭС, так и ТЭЦ. Достоинство воды в отношении как термодинамическом, так и технико-экономическом хорошо известны.
Увеличение термического КПД паросилового цикла (преобразователя) может быть достигнуто, как известно из термодинамики, при прочих равных условиях только двумя путями. Первый их них - это повышение температурного уровня подводимого тепла, как в самом паровом цикле, так и посредством подключения «надстроек»: от МГД (магнитодинамических генераторов) до газовых турбин. Газотурбинный вариант оказался практически наиболее приемлемым и позволил поднять термический КПД электростанций примерно до 60 %.
Однако дальше «двигаться вверх» становится все труднее и дороже, тем более что незыблемым законом термодинамики каждый градус повышения температуры дает все меньший дополнительный энергетический эффект. В этой ситуации, естественно, представляется целесообразным идти по второму пути повышения КПД - расширить теплосиловой цикл «вниз». Здесь по тем же законам термодинамики «каждый градус все дороже», но термический КПД цикла растет при прочих равных условиях в результате его расширения «вниз» гораздо быстрее, чем при движении «вверх» (таблица 2).
Для нашей страны (и ряда других стран северного полушария), где температура окружающей среды в большинстве районов значительную часть года держится намного ниже 0 ⁰С, такое расширение границ цикла диктуется природными условиями. По климатическим условиям близким к России: Исландия, Северный , Канада и северная часть (Аляска).
Таблица 2 – Работа теплосилового (прямого) цикла Карно, Дж, при различных температурах источника (Т г) и приемника (Т о.с.) тепла
|
Т о.с.. , ⁰К |
|||||||
Из таблицы 2 следует, что во всех случаях - при высоких температурах подвода тепла Т г (1000 – 1500 ⁰К) и относительно низких (800 – 600 ⁰К) - отводимая работа при понижении Т о.с. существенно возрастает. Важ
но, что наибольший рост наблюдается в циклах с более низким уровнем Т г. Так, для цикла с Т г = 1500 ⁰К увеличение отводимой работы при Т о.с. = 240 ⁰К по сравнению с Т о.с. = 300 ⁰К составляет примерно 5 %, а при Т о.с. = 250 ⁰К около 4 %; в цикле с Т г = 1000 ⁰К увеличение работы при том же изменении Т о.с. существенно больше: примерно 8 и 7 % соответственно
Самое значительное увеличение термического КПД (около 16 %) соответствует относительно невысокой температуре Т г, равной 600 ⁰К. Этот факт заставляет задуматься над некоторыми практическими возможностями реализации таких циклов в теплоэнергетике.
На рисунке 1 приведены схемы возможных вариантов использования низких температур окружающей среды и температурные интервалы соответствующих циклов.
а – варианты теплосилового цикла; б – верхний и нижний рабочие интервалы температур
Рисунок 1 – Схема вариантов использования низких температур окружающей среды Т о.с. в теплосиловом цикле.
Всякое расширение интервала температур теплосилового цикла, теоретически ведущее при прочих равных условиях к повышению его термического КПД, связано, как известно, с необходимостью увеличения отношений давлений испарения и конденсации.
Поэтому на верхнем, «горячем», участке цикла часть перепада температур используется уже вне парового цикла, например, в газовой турбине. У современных атомных и геотермальных электростанций (по самой их природе) верхняя температура рабочих циклов ограничена, поэтому никаких других реальных возможностей существенного расширения температурного интервала работы пароводяных циклов у этих электростанций в обозримой перспективе нет.
Что касается нижней части цикла, необходимость в высоком вакууме исключает использование воды как рабочего тела при температурах даже приближающихся к нулю, не говоря о более низких. Поэтому современная «большая» теплоэнергетика вынуждена пока работать в условиях, диктуемых свойствами воды. Между тем «расширение» интервала температур работы тепловых электростанций остается в числе актуальных проблем повышения эффективности теплоэнергетики. И здесь есть только один путь - «вниз». Его предопределяют не только законы термодинамики, но и климатические условия, как в России, так и некоторых других стран.
Попытки использовать в теплоэнергетике другие рабочие тела, например, некоторые из применяемых в холодильной технике, рассматривались до последнего времени большинством специалистов-энергетиков как экзотика, хотя изредка и обсуждались в литературе.
Однако тематика обсуждения не выходила за рамки классических температур теплосилового цикла, без какого либо учета возможности и целесообразности переноса его нижней границы в область, близкую к нулю и, тем более - в область отрицательных температур. Для «водяной» теплоэнергетики это невозможно. Кроме того, возникают , пугающие кажущейся сложностью, главная из которых состоит (кроме выбора рабочего тела) в непостоянстве (включая сезонность) температуры окружающей среды - воздуха.
Очевидный и основной положительный фактор, определяющий целесообразность создания низкотемпературных паросиловых установок (преобразователей) - отсутствие в системе вакуума: во всех точках системы, в том числе в конденсаторе, поддерживается даже при самом «холодном» режиме давление, превышающее атмосферное. Это позволит существенно уменьшить объемы и массу оборудования низкотемпературной части установки.
«Холодное» направление развития теплоэнергетики особенно актуально для индивидуальных малых гелиоустановок на базе солнечного соляного пруда , поскольку температурный уровень подводимого тепла к преобразователю энергии не превышает 100 ⁰С.
Для выявления преимуществ охлаждения радиатора преобразователя холодной водой, определим по циклу Ренкина с рабочим телом - бутадиен-1,3 (дивинил) (С 4 Н 6) (температура кипения минус 4,47 ⁰С при давлении 760 мм рт. ст.) по данным , КПД преобразователя при охлаждении его радиатора:
а) проточной (перекачиваемой) водой для интервала температур 80 – 30 ⁰С: при i’ 1 = 570,32 кДж/кг – энтальпия жидкого дивинила при 30 ⁰С; i» 1 = 950,22 кДж/кг, i» 2 =1007,1 кДж/кг – энтальпия пара дивинила соответственно при 30 и 80 ⁰С.
η в = (i» 2 — i» 1)/(i» 2 — i’ 1) = 13,0 %;
(с фреоном ФС318 (температура кипения + 6 ⁰С при давлении 760 мм рт. ст.) КПД, рассчитанный по этой же формуле, будет 23,1 %)
б) льдом для интервала температур 80 – 10 ⁰С: при i’ 1 = 524,90 кДж/кг – энтальпия жидкого дивинила при 10 ⁰С; i» 1 = 926,10 кДж/кг, i» 2 =1007,1 кДж/кг – энтальпия пара дивинила соответственно при 10 и 80 ⁰С.
η л = (i» 2 — i» 1)/(i» 2 — i’ 1) = 16,8 %.
(с фреоном С318 КПД, рассчитанный по этой же формуле, будет 28,4 %)
Следовательно, КПД преобразователя за счет охлаждения его радиатора льдом повышается для дивинила в η л /η в = 1,29 раза, а для фреона ФС318 в 1,23 раза
В статье приводятся данные предварительных расчетов энергии, вырабатываемой водометом (преобразователем энергии) за счет охлаждения его радиатора льдом/талой водой, и сравнение с энергией потока воды приводящего в действие гидротурбину.
А в статье приведена схема использования холода малых водотоков для солнечной энергоустановки (гелиоэлектростанции).
Приведенное понижение нижней границы термодинамического цикла рационально и практикуется для нормальной работы последней ступени цилиндра низкого давления турбины современной тепловой электростанции, установленному заводом-изготовителем (как правило 0,12 кгс/см 2 , что соответствует температуре насыщенного водяного пара 49,1 ⁰С)
В завершении, в качестве иллюстрации эффективности нетрадиционных подходов в различных областях энергосбережения приведем следующий пример.
Он разрабатывается группой исследовательских организаций и университетов из Нидерландов, Дании, Испании и Болгарии. Проект призывает к созданию европейской системы хранения энергии, получаемой от ветроэлектрических установок (), в огромных складах-холодильниках.
Непостоянство ветровой энергии, вкупе с тем простым фактом, что ночью электропотребление заметно падает, а днем растет, подтолкнули европейских ученых к неожиданной идее: в качестве колоссальных аккумуляторов энергии, способных накапливать «электричество» от и в целом стабилизировать расход энергии в , могут выступить гигантские склады-холодильники, расположенные по всему Старому свету.
Идея довольно проста и, главное, никаких особых изменений в существующих системах не требует. Просто ночью, когда потребление электричества падает, а ВЭУ продолжают работать, как обычно (не останавливать же лопасти), их мощность должна направляться на то, чтобы понизить на один градус температуру в этих холодильниках. Всего на один градус против обычной нормы.
Таким образом, энергия запасается в виде холода тысяч и тысяч тонн разнообразных продуктов, спокойно лежащих где-нибудь в Дании, Голландии или Франции. Днем же, когда потребление электричества растет, все эти гигантские холодильники можно выключить, позволив температуре постепенно подняться на один градус, т. е. вернуться к практикуемой технологической норме.
Если это будет применено во всех крупных холодильных складах Европы, то, по расчетам авторов проекта, это эквивалентно появлению в общей энергосети аккумулятора емкостью в 50 млн кВт∙ч!
К неоспоримым плюсам этого проекта относится также то, что при работе ночью холодильных машин у них выше , т. к. охлаждающий конденсаторы воздух летней ночью имеет более низкую температуру, чем днем на 10 – 15 ⁰С .
Таким образом, даже такие «бросовые» с традиционной точки зрения энергетические ресурсы, так малые водотоки (речушки и ручейки) горных местностей могут стать хорошим подспорьем в повышении энергетической эффективности гелиоустановок и систем с термодинамическими циклами.
1 Шелестов С.И. КРИТЕРИИ БЕЗОПАСНОСТИ гидротехнических сооружений // Академия Энергетики. 2010. № 4. С. 4 – 8.
2 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ). Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.
3 Осадчий Г.Б. Гелиоводомёт с солнечным соляным прудом // Промышленная энергетика. 1996. № 9. С.46-48.
4 Осадчий Г.Б. Солнечная энергоустановка для горной местности // Промышленная энергетика. 1998. № 1.
5 Бродянский В.М. Повышение эффективности атомных и геотермальных электростанций посредством использования низких температур окружающей среды// Теплоэнергетика.– 2006.– № 3.– С. 36 – 41.
