Смекни!
smekni.com
Физика

Получение и использование электрической энергии

Атомныеэлектростанции(АЭС)


В

30-е годы XXвека известныйученый И.В. Курчатовобосновывалнеобходимостьразвитиянаучно-практическихработ в областиатомной техникив интересахнародногохозяйствастраны.

В1946 г. в России былсооружен изапущен первыйна Европейско-Азиатскомконтинентеядерный реактор.Создаетсяуранодобывающаяпромышленность.Организованопроизводствоядерного горючего- урана-235 и плутония-239,налажен выпускрадиоактивныхизотопов.

В1954 г. начала работатьпервая в миреатомная станцияв г. Обнинске,а через 3 годана океанскиепросторы вышлопервое в миреатомное судно- ледокол "Ленин".

Начинаяс 1970 г. во многихстранах мираосуществляютсямасштабныепрограммыразвития ядернойэнергетики.В настоящеевремя сотниядерных реакторовработают повсему миру.

Вслучае безаварийнойработы атомныеэлектростанциине производятпрактическиникакого загрязненияокружающейсреды, крометеплового. Хотьи в результатеработы АЭСобразуютсярадиоактивныеотходы, представляющиепотенциальнуюопасность.Однако объемрадиоактивныхотходов оченьмал, они весьмакомпактны, иих можно хранитьв условиях,гарантирующихотсутствиеутечки наружу.

АЭСэкономичнееобычных тепловыхстанций, а, самоеглавное, приправильнойих эксплуатации- это чистыеисточникиэнергии.

Источникомэнергии всуществующихсегодня АЭСслужат ядратяжелых химическихэлементов,которые прираспаде начасти высвобождаютогромную (всравнении схимическимиисточникамиэнергии) удельнуюэнергию. Прираспаде одногокилограммаядер уранавыделяетсястолько энергии,сколько присгорании примернодвух с половинойтысяч тоннугля. Эта энергияпоявляетсяв основном ввиде кинетическойэнергии осколковядер.

Однакоу электростанций,работающихна ядерномтопливе, естьнекотораяособенность.Эта особенностьзаключаетсяв том, что ядерноетопливо неможет бытьизрасходованов реактореполностью, какрасходуетсяобычное химическоетопливо. Последнее,как правило,сжигается втопке до конца.Возможностьпротеканияхимическойреакции практическине зависит отколичествавступающегов реакцию вещества.Ядерная жецепная реакцияне может идти,если количествотоплива в реактоременьше определенногозначения, называемогокритическоймассой. Уранв количестве,составляющемкритическуюмассу, не являетсятопливом всобственномсмысле этогослова. Выгоратьможет лишь тачасть топлива,которая загружаетсяв реактор сверхкритическоймассы. Такимобразом, ядерноетопливо в количестве,равном критическоймассе, служитсвоеобразнымкатализаторомпроцесса,обеспечиваетвозможностьпротеканияреакции, неучаствуя в ней.Естественно,что топливов количестве,составляющемкритическуюмассу, физическинеотделимов реакторе отвыгорающеготоплива. Втепловыделяющихсяэлементах,загружаемыхв реактор, ссамого началапомещаетсятопливо какдля созданиякритическоймассы, так идля выгорания.Значение критическоймассы неодинаководля различныхреакторов ив общем случаеоно относительновелико. Так,для серийногоотечественногоэнергетическогоблока с реакторомВВЭР-440 мощностьюв 440 МВт критическаямасса уранасоставляет700 кг. Это соответствуетколичествуугля около 2млн. тонн. И ниодин килограммот этой критическоймассы не можетбыть израсходован.


В составядер входятпротоны и нейтроны.Между нуклонамиесть два видавзаимодействий– электромагнитноеи ядерное. Ядерноевзаимодействиепроявляетсяна очень малыхрасстояниях.Это расстояниемало в сравнениис размерамисамих атомов.Относительныевеличины силкулоновскогоотталкиванияи сил ядерноговзаимодействиясильно отличаются.Внутри ядраядерные силыпримерно в 100раз интенсивнее,чем электрические,поэтому ядерноевзаимодействиееще называютсильным взаимодействием.Потенциальнаяэнергия взаимодействующихв ядре протонови нейтроновотсчитываетсяот того состояния,когда всесоставляющиеядро частинаходятсядалеко другот друга. Потенциальнаяэнергия и стабильныхи радиоактивныхядер отрицательна,причем ееотрицательностьобеспечиваетсясильным взаимодействием.Если разделитьполную потенциальнуюэнергию ядрана количествонуклонов, токаждое ядроможет бытьохарактеризованоудельнойотрицательнойпотенциальнойэнергией. Можносказать, чтокаждый нуклонв составе ядранаходится вглубокойпотенциальнойяме.

Потенциальнойямой называетсяограниченнаяобласть пространства,в которойпотенциальнаяэнергиячастицы меньше,чем вне её. Термин"потенциальнаяяма" происходитот вида графика,изображающегозависимостьпотенциальнойэнергии частицы,находящейсяв силовом поле,от её положенияв пространстве(в случае одномерногодвижения - откоординаты.Основное свойствопотенциальнойямы –способностьудерживатьчастицу, полнаяэнергия которойменьше глубиныямы, т.е. потенциальнойэнергии внечастицы; такаячастица внутрипотенциальнойямы будет находитьсяв связанномсостоянии).

Эта удельнаяпотенциальнаяэнергия зависитот количествапротонов инейтронов вядре. Для ядерхимическихэлементов,соответствующихсередине таблицыМенделеева– железо, никель,кобальт, глубинапотенциальнойямы для каждогонуклона самаябольшая. Ядерныереакции, приводящиек выделениюэнергии. Разнаяудельная глубинапотенциальнойямы для нуклонов,входящих всостав разныхядер, обеспечиваетвозможностьполученияэнергии приядерных превращениях.Например, прислиянии ядерхимическихэлементов,находящихсяв начале таблицыМенделеева,глубина потенциальнойямы для нуклоновво вновь полученныхядрах увеличивается,следовательно,при слияниилегких ядервыделяетсяэнергия, причемв основном ввиде электромагнитногоизлучения. Этотспособ полученияэнергии реализованв водороднойбомбе. Для того,чтобы легкиеядра приблизилисьдруг к другунастолько,чтобы междуними началидействоватьядерные силынужно привестиих в движениес огромнымискоростями.Тогда пристолкновенияхядер их кинетическойэнергии будетдостаточно,чтобы преодолетьпотенциальныйбарьер, созданныйэлектрическимисилами отталкивания.В водороднойбомбе процессвыделенияэнергии присинтезе болеетяжелых ядериз легкихнеуправляем.Если ученымудастся найтинадежный идешевый способуправленияреакцией слияниялегких ядер,то в распоряжениичеловечестваокажется практическинеисчерпаемыйисточник энергии.Второй путьполученияэнергии связанс распадом ядертяжелых химическихэлементов наосколки, которыестановятсяядрами химическихэлементов,соответствующихсередине таблицыМенделеева.Возможностьсамопроизвольногораспада ядертяжелых элементовсуществует,но вероятностьэтого процессаневелика, поэтомуядра урана –235 и урана – 238 «живут»очень долго.Вследствиесамопроизвольногораспада половинаот большогочисла ядерурана– 235 распадаетсяза 1 миллиардовлет, а урана –238 за 7 миллиардовлет.


Однако,если в ядроурана – 235 добавитьодин лишнийнейтрон, товновь образованноеядро оказываетсяв возбужденномсостоянии.Такое состояниеявляется неустойчивым(радиоактивным).Один из путейперехода ядраиз этого возбужденногосостояния вболее устойчивоесостоит в том,что через оченьнебольшое времяядро распадаетсяна два осколка.В ядрах–осколкахсоотношениемежду числомпротонов ичислом нейтроновнетипично длястабильныхизотопов (природныхядер) нейтронынаходятся визбытке. Ядра– осколки могутбыть радиоактивнымиили испускатьсвои «лишние»нейтроны. Появлениев результатераспада ядерновых нейтроновобуславливаетвозможностьосуществленияположительнойобратной связи:чем большеначальныхнейтроновпоглотитсяядрами, тембольше произойдетраспадов неустойчивыхядер, в результатеэтих распадовпоявляетсяеще большееколичествонейтронов,которые опятьпоглощаютсяядрами, а этиядра в своюочередь распадаютсяна осколки,рождая ещебольшее количествонейтронов.Такая реакцияносит названиецепной разветвляющейсяреакции. Цепьреакций можетоборваться,если нейтронпокинет область,в которой имеютсяядра урана, илиесли он будетпоглощен каким-нибудьдругим ядром.Первый из этихдвух механизмовторможенияцепной реакциииспользуетсяв урановой –235 или плутониевой– 239 ядерной бомбе.До приведенияурана –235 в урановойбомбе в боевоесостояниеразмеры урановогозаряда велики.Поэтому нейтроны,образующиесяпри самопроизвольныхраспадах ядер,не поглощаютсядругими ядрамиурана а покидаютобласть расположенияурана. Цепнаяреакция гаснет,не успев развиться.С помощью обычногохимическоговзрыва урановыйзаряд «обжимают»со всех сторони удерживаютпод давлениемкороткое время.Размеры области,занятой ураном,становятсяпосле «обжатия»достаточнымидля развитияцепной ядернойреакции. Закороткое времяпорядка 0,1 микросекундычасть ядерурана (примерно1% от общего числа)успевает развалитьсяи выделитьколоссальнуюэнергию. Остальныеатомы урана,не успев прореагировать,разлетаютсявследствиевозрастаниятемпературыи давления. Вурановой бомбепроисходитнеуправляемоевыделениеэнергии.

Ученыенаучилисьуправлятьскоростьюцепной ядернойреакции. Самымважным моментомздесь являетсято обстоятельство,что не все ядра«разваливаются»сразу. Те осколки,что «разваливаются»за время меньшее10-3секунды, производяттак называемые«мгновенные»нейтроны. Однакочасть продуктовраспада ядерурана в своюочередь распадаютсяс испусканиемнейтронов после10-3 секунд. Приэтих распадахпоявляетсявсего около0,7 % «запаздывающих»нейтронов отобщего количества.Именно наличиеэтих «запаздывающих»нейтронов идает возможностьрегулироватьскорость цепнойреакции. Важнуюроль в этомрегулированиииграет поглощениенейтроновядрами некоторыхатомов. Рядомс урановымистержнямипомещают стержнииз материала,содержащегоатомы кадмия,поглощающиенейтроны всотни разэффективнее,чем уран. Стержниможно механическиперемещатьи, таким образом,регулироватьскорость теченияцепной реакции.


В ядерныхреакторахэнергия распадаядер уранапреобразуетсяв электрическуюэнергию. Послераспада ядракинетическаяэнергия осколковядер переходитв тепловуюэнергию материала,загруженногов реактор. Плотностьтепловыделенияв энергетическихядерных реакторахдостигает сотенкВт на литробъема активнойзоны. Эта энергияс помощью жидкости,протекающейпо трубам внутрирабочей зоныреактора, переноситсяв теплообменники.Здесь онаиспользуетсядля того, чтобынагреть и превратитьв пар воду. Водянойпар направляютв турбину. Расширяясьи совершаяработу по вращениютурбины парохлаждается.Турбина,в свою очередь,двигает ротор-магнит.Электрическийже ток производитсяблагодаряявлению электромагнитнойиндукции —возникновениюэлектродвижущейсилы в замкнутомконтуре приизменениимагнитногопотока, пронизывающегоэтот контур.При вращенииротора-магнитав витках окружающегоего статорапоявляетсяэлектрическийток. Далее остаетсятолько “снять”напряжениес обмоток ипередать егов линию дляснабжениявнешних потребителей.Обеспечиваетсяэтот процессбольшим количествомпроизводящих,контролирующих,управляющихустановок,приборов, механизмов,которые жестко,продуманнои эффективносвязаны в единуютехнологическуюцепочку. Чтобыциклическииспользоватьодну и ту жеводу, отработавшийпар охлаждаютв теплообменникахвторого контурациркуляциии вновь направляютк теплообменникампервого контура.Таким образом,ядерный реакторпредставляетсобой тепловуюмашину, в которойнагревателемслужит уранв рабочей зоне,а холодильникомобычно служитвода протекающеймимо электростанцииреки. Горячаявода частичнонаправляетсяна обогревдомов и производственныхпомещений вгородках приАЭС. Коэффициентполезногодействия такойтепловой машины,преобразующейтепловую энергиюв электрическую,обычно не превышает30%. По этому показателюатомные электростанцииничем не отличаютсяот обычныхтепловыхэлектростанций.

МногиеАЭС похожи поконструкцииздания. ГлавнымсооружениемАЭС являетсяэнергоблок.Именно внутринего размещается"сердце" атомнойстанции - реакторвместе с необходимымдля его работыоборудованием.Поэтому строительныеконструкцииудовлетворяютстрожайшимтребованиямнадежности.В частности,оборудованиеи корпус зданиярассчитаныи построенытак, чтобы безопасновыдержатьземлетрясенияв несколькобаллов. Энергоблокпроектируетсяи строится каксамостоятельныйобъект, отвечающийвсем требованиямобеспечениянадежной, безотказнойи безопаснойработы смонтированногов нем энергетическогои вспомогательногооборудования.В его составвходят:

  • Реакторноеотделение;

  • Машинныйзал;

  • Деаэраторнаяэтажерка(предназначенадля удалениягазов из теплоносителя);

  • помещенияэлектротехническихустройств.

Реакторразмещаетсяв герметичнойцилиндрическойоболочке. Этотгерметичныйцилиндр находитсявнутри обстройки.С обстройкой,окружающейоболочку реактора,соединяетсяздание машинногозала.


Существуетдва типа реакторовкорпусный иканальный.Корпуснойреактор − этореактор активнаязона, которогозаключена впрочный корпус.Теплоносительв корпусномреакторе чащевсего выполняетфункции замедлителя(обычная илитяжёлая вода,органическиежидкости).Конструктивнокорпуснойреактор обычнопредставляютсобой цилиндрическийсосуд с крышкой,внутри которогоразмещенавыемная конструкцияс активнойзоной. Теплоносительпоступает снизув активнуюзону, котораясостоит изтепловыделяющихкассет. В активнойзоне перемещаютсяуправляющиестержни, приводыкоторых имеютгерметичныйвывод в крышкеили днище корпуса.Отвод нагретоготеплоносителяосуществляетсячерез патрубкив верхней частикорпуса.Канальныйреактор состоитиз системыотдельныхканалов, пространствомежду которымизаполненозамедлителемнейтронов.Тепловыделяющиеэлементы сядерным топливомразмещаютсявнутри каждогоканала и охлаждаютсяиндивидуальнымпотоком теплоносителя.Подвод и отводтеплоносителяв канале осуществляетсяпо трубопроводам.Канальныереакторы из-законструктивныхособенностейпринципиальноне имеют ограниченийразмеров активнойзоны, что принамечающейсятенденцииувеличенияединичныхмощностейреактороввыгодно отличаетих от корпусныхреакторов, длякоторых увеличениемощности исоответственноразмеров активнойзоны сопряженос трудностямив изготовлении,транспортировкеи монтаже большихкорпусов. Разделениетеплоносителяи замедлителяв канальномреакторе обеспечиваетхороший баланснейтронов иэффективныйтеплосъём вактивной зоне.Это достигаетсясоответствующимподбором веществазамедлителяи теплоносителя.В канальныхреакторах спомощью специальныхмашин возможнаперегрузкатоплива находу, т. е. безостановки иохлажденияреактора, чтоулучшаетэкономическиепоказателиэнергетическойустановки иобеспечиваетбесперебойноеснабжениепотребителейэлектроэнергией.Наличие активнойзоны, состоящейиз отдельныхканалов, позволяеторганизоватьиндивидуальныйконтроль засостояниемкаждой топливнойсборки и в случаеповрежденияпроизвестиеё немедленнуюзамену. Однако,ввиду значительныхразмеров активнойзоны канальногореактора, еёудельная нагрузкав несколькораз ниже, чем,например, вкорпусныхреакторах, иобычно не превышаетв среднем 15 кВтна 1 л активнойзоны. Наличиеразветвленнойсети трубопроводов,подводящихи отводящихтеплоносительк каналам реактора,усложняет егокомпоновкуи обслуживаниеи увеличиваетвероятностьвозникновениянеплотностейи течей, а соответственнои аварийнойситуации.


С экономическойточки зренияатомные электростанцииочень выгодны.Чтобы обеспечитьработу одногоэнергоблокамощностью втысячу мегаваттнужно, чтобыв рабочей зонеза год распалосьпримерно 1200 кгядер урана.Если АЭС должнаработать около30 лет, то всегоза время ееэксплуатации«сгорит» около36 тонн урана –235. В один такойэнергоблокзагружаетсяоколо 180 тоннобогащенногоурановогогорючего. Обогащениесоставляет1,8%, то есть отвсего количестваурана только1,8% составляетуран – 235. Итак,в реакторенаходится около3 тонн урана –235, а всего сгорает36 тонн. Значит,на АЭС регулярнопроисходитчастичнаяперезагрузкатоплива, тепловыделяющиеэлементы заменяют.Используется,однако, толькооколо 1,5% всегоурана, то естьдаже не весьуран – 235 «сгорает».Стоимость 1 кгчистого уранав 1985 году былаоколо $ 40. Обогащениестоит еще около$100. Изготовлениетепловыделяющихэлементовобходитсяпримерно в $300. Стоимостьодного энергоблокана 1000 МВт составлялав те же годыоколо 2 миллиардовдолларов. Стоимостьсамого уранапри начальнойзагрузке составлялатолько 4% от общейстоимостиблока. Десятикратнаязамена тепловыделяющихэлементовувеличиваетрасходы до 2,8миллиардадолларов. Еслистоимость 1киловатт часаэлектроэнергииравнялась $0,1,то за времясвоей эксплуатацииэнергоблокАЭС должен былпроизвестиэлектроэнергиина 30 миллиардовдолларов. Такимобразом, АЭСокупает себядесятикратно.


В конечномитоге можносделать следующиевыводы:

Факторы"За" атомныестанции:

1. Атомнаяэнергетикаявляется насегодняшнийдень лучшимвидом полученияэнергии. Экономичность,большая мощность,экологичностьпри правильномиспользовании.

2. Атомныестанции посравнению страдиционнымитепловымиэлектростанциямиобладаютпреимуществомв расходах натопливо, чтоособо яркопроявляетсяв тех регионах,где имеютсятрудности вобеспечениитопливно-энергетическимиресурсами, атакже устойчивойтенденциейроста затратна добычуорганическоготоплива.

3. Атомнымстанциям несвойственнытакже загрязненияприродной средызолой, дымовымигазами с CO2,NOх,SOх,сброснымиводами, содержащиминефтепродукты.

4.Возможностьразмещенияв необеспеченныхэнергоресурсамирайонах страны.

Факторы"Против" атомныхстанций:

1. Ужасныепоследствияаварий на АЭС.

2.Локальноемеханическоевоздействиена рельеф - пристроительстве.

3.Повреждениеособей в технологическихсистемах - приэксплуатации.

4. Стокповерхностныхи грунтовыхвод, содержащиххимическиеи радиоактивныекомпоненты.

5.Изменениехарактераземлепользованияи обменныхпроцессов внепосредственнойблизости отАЭС.

6. Изменениемикроклиматическиххарактеристикприлежащихрайонов.


Генераторыпеременноготока

В 1820 годубыло открытовзаимодействиемежду электрическимтоком, протекающимв проводнике,и магнитнойстрелкой. Этоявление былоправильнообъяснено иобобщено французскимфизиком Ампером,который установил,что магнитныесвойства любоготела являютсяследствиемтого, что внутринего протекаютзамкнутыеэлектрическиетоки. Такимобразом, любыемагнитныевзаимодействияможно рассматриватькак следствияэлектрических.Однако, еслиэлектрическийток вызываетмагнитныеявления, естественнобыло предположить,что и магнитныеявления могутвызвать появлениеэлектрическоготока. Долгоевремя физикив разных странахпытались обнаружитьэту зависимость,но терпелинеудачу. В самомделе, если, рядомс проводникомили катушкойлежит постоянныймагнит, никакоготока в проводникене возникает.Но если начатьперемещатьэтот магнит:приближатьили удалятьего от катушки,вводить и выниматьмагнит из нее,то электрическийток в проводникепоявляется,и его можнонаблюдать втечение всеготого периода,во время которогомагнит движется.То есть электрическийток может возникатьтолько в переменноммагнитном поле.

Впервыеэту важнуюзакономерностьустановил в1831 году английскийфизик МайклФарадей.


МайклФарадей родилсяв Лондоне всемье кузнеца.Мальчик смогполучить лишьначальноеобразование.С двенадцатилет он работал,сначала разносчикомгазет, затемподмастерьемв переплетноймастерской.Однако недостатокзнаний Фарадейкомпенсируетсамообразованием.Благодарясчастливойслучайностиюноша попадаетв поле зренияизвестногохимика Г. Дэви,который делаетФарадея своимассистентомв Королевскоминституте (1813г.).Главное научноедостижениеФарадея в химии– методикасжижения газов.Опыты, проведенныеФарадеем в 1823г., положилиначало новомунаучному направлению– физике низкихтемператур.Очень быстроФарадей обогналв искусствеэкспериментасвоего научногоруководителяДэви, что позднеебыло причиноймногих трениймежду ними.

В 1821 г. Фарадейначал заниматьсяэлектрическимии магнитнымиявлениями. Онсчитал очевидным,что если токв проводе создаетмагнитное поле,действующеена магнитнуюстрелку, еслипроводник стоком движетсяв магнитномполе, то должнобыть верно иобратное –магнитное поледолжно создаватьток в проводнике.В течение многихлет Фарадеюне удавалосьдоказать этоэкспериментально,так как он непонимал, чтодля возникновениятока важноотносительноедвижение магнитаи провода. Однаждыпочти случайноон заметил, чтов момент вхождениямагнита в катушкустрелка гальванометраотклоняется.Так был открытзакон электромагнитнойиндукции. Наокончательнуюего формулировку(1831 г.) потребовалосьдесять летнапряженныхисследований.

Все своиработы поэлектромагнетизмуФарадей в течениедвадцати пятилет представлялв виде докладов-серийв Лондонскоекоролевскоеобщество. Однотолько перечислениеполученныхим результатоввызывает изумлениеего гением:открытие явленияэлектромагнитнойиндукции (1831 г.);открытие законовэлектролиза(1834 г.); обнаружениеполяризациидиэлектрикови понятие одиэлектрическойпроницаемости(1837 г.); экспериментальноедоказательствозакона сохраненияэлектрическогозаряда (1843 г.); открытиедиамагнетизмаи обнаружениеявления вращенияплоскостиполяризациисвета в веществе,помещенномв магнитноеполе (1845 г.); идеяоб электромагнитнойприроде света(1845 г.); открытиепарамагнетизма(1847 г.).


Величайшейзаслугой Фарадеястало то, чтоон высказалидею об электрическоми магнитномполе. Он не могматематическиразвить этиидеи, и в егомонументальнойработе "Экспериментальныеисследованияэлектричества"нет ни одногоуравнения!Однако именноидеи Фарадеялегли в основууравненийМаксвелла.Позднее Эйнштейнговорил, чтов развитииэлектромагнетизмаФарадей поотношению кМаксвеллу –то же самое,что в развитиимеханики Галилейпо отношениюк Ньютону.

Несмотряна успехи внауке, признаниевсего мира,Фарадей всюжизнь оставалсяскромным,очаровательным,простым человеком.Он многократноотказывалсяот наград ивозможногоблагосостояния,полностьюотдаваясь наукеи разделяяидеалы закрытойсандеманскойрелигиознойсекты, которойон всю жизньбыл предан. Онотклонил предложениестать президентомЛондонскогокоролевскогообщества, атакже предложениебыть возведеннымв дворянство.В завещанииФарадей просил,чтобы его прахпокоился подсамым простыммогильнымкамнем.

Проведясерию опытов,Фарадей открыл,что электрическийток возникает(индуцируется)во всех техслучаях, когдапроисходитдвижение проводниковотносительнодруг друга илиотносительномагнитов. Есливводить магнитв катушку, илиперемещатькатушку относительнонеподвижногомагнита в нейиндуцируетсяток. Если подвигатьодну катушкук другой, черезкоторую проходитэлектрическийток, в ней такжепоявляетсяток. Того жеэффекта можнодобиться призамыкании иразмыканиицепи,поскольку вмомент включенияи выключенияток нарастаети убывает вкатушке постепеннои создает вокругнее переменноемагнитное поле.По­этому еслипоблизостиот такой катушкинаходитсядругая, не включеннаяв цепь, в нейвозникаетэлектрическийток.ОткрытиеФарадея имелоогромные последствиядля техникии всей че­ловеческойистории, таккак теперьстало ясно,каким образоммеханическуюэнергию превращатьв электрическую,а электрическуюобратно вмехани­ческую.Первое из этихпреобразованийлегло в основуработы электрогене­ратора,а второе электродвигателя.Впрочем, самфакт открытияеще не означал,что все техническиезадачи на этомпути разрешены:около сорокалет ушло насозданиеработоспособногогенератораи еще двадцатьлет на изобретениеудовлетворительноймодели промышленногоэлектродвигателя.Но главное:принцип действиядвух этих важнейшихэлементовсовременнойцивилизациисделался очевиденименно благодаряоткрытию явленияэлек­тромагнитнойиндукции.


Первыйпримитивныйэлектрогенера­торсоздал самФарадей. Дляэтого он по­местилмедный дискмежду полюсамиN и Sпостоянногомагнита. Привращении дискав магнитномполе в нем наводилисьэлектрическиетоки. Если напериферии дискаи в его центральнойчасти помещалитокоприемникив виде скользящихконтактов, томежду нимипоявляласьразность потенциалов,как на гальваническойбатарее. Замыкаяцепь, можнобыло наблюдатьна гальванометренепрерывноепрохождениетока.УстановкаФарадея годиласьтолько длядемонстраций,но вслед за нейпоявилисьпервые магнитоэлектрическиемашины (такстали называтьэлектрогенераторы,в которыхиспользовалисьпостоянныемагниты), рассчитанныена созданиеработающихтоков. Самойранней из нихбыла магнитоэлектрическаямашина Пиксии,сконструированнаяв 1832 году.Принципее действиябыл очень прост:мимо неподвижных,снабженныхсердечникамикатушек двигалисьпосредствомкривошипа изубчатой передачилежащие противних полюсыподковообразногомагнита, вслед­ствиечего в катушкахиндуцировалисьтоки. Недостаткоммашины Пиксиибыло то, что вней приходилосьвращать тяжелыепостоянныемагниты. Впоследующемизобретателиобычно заставляливращатьсякатушки, оставляямагниты неподвижными.Правда, приэтом приходилосьрешать другуюзада­чу: какимобразом отвестиво внешнюю цепьток с вращающихсякатушек? Этозатруднение,однако, былолегко преодолимо.Прежде всего,катушки соединялимежду собойпоследовательноодними концамиих проводки.То­гда другиеконцы моглислужить полюсамигенератора.Их соединялис внешней цепьюпри помощискользящихконтактов. Онустроен следую­щимобразом: на осимаши­ны крепилисьдва изолиро­ванныхметаллическихкольца, каждоеиз которых былосоединено содним из полюсовгенера­тора.По окружностиэтих колецвращались двепло­ские металлическиепружины, накоторые былазаключенавнешняя цепь.При такомприспособленииуже не былоникаких за­трудненийот вращенияоси машины токпереходил изоси в пружинув месте ихсоприкосновения.Ещеодно неудобствозаключалосьв самом харак­теретока электрогенерато­ра.Направлениетока в ка­тушкахзависит оттого, приближаютсяони к полю­сумагнита илиудаляются отнего. Из этогоследует,чтоток, возникающийво вращающемсяпроводнике,будет не постоянным,а переменным.По мере при­ближениякатушки к одно­муиз полюсовмагнита си­латока будетнарастать отнуля до какого-томаксимальногозначения, азатем по мере удаления вновьуменьшатьсядо ну­ля. Придальнейшемдвижении токизменит своенаправлениена противопо­ложноеи опять будетнарастать докакого-томаксимальногозначения, апо­том убыватьдо нуля. Во времяследующихоборотов этотпроцесс будетповторяться.Итак, в отличиеот электрическойбатареи, электрогенераторсоз­дает переменныйток, и с этимприходитсясчитаться.Какизвестно, большинствосовременныхэлектрическихпри­боров созданытаким образом,чтобы питатьсяот сети перемен­ноготока. Но в XIXвеке перемен­ныйток был не удобенпо многим причинам,прежде всегопсихоло­гическим,поскольку впрежние годыпривыкли иметьдело с по­стояннымтоком: Впрочем, пере­менныйток можно былолегко преобразоватьв прерывистый,имеющий однонаправление.Для этого достаточнобыло с помощьюспециальногоустройствакоммутатораизменить контактытаким образом,чтобы скользящаяпружина переходилас одного кольцана другой в тотмомент, когдаток меняет своенаправление.В этом случаеодин контактпостояннополучал токодного на­правления,а другой противоположного.Не трудно былоустановитьпружину такимобразом, чтобыона переходилас одного кольцана другое в тотмо­мент, когдав обмотке катушкименялось направлениетока, и тогдакаждая пружинавсе время давалаток одного итого же направления.Другими сло­вами,они представлялииз себя постоянныеполюса; однаположительный,другая отрицательный,в то время какполюса катушекдавали переменныйток.Электрогенераторпрерывистогопостоянноготока вполнемог заменитьнеудобную вомногих отношенияхгальваническуюбатарею, и потомувызвал большойинтерес у тогдашнихфизиков ипредпринимателей.В 1856 году французскаяфирма «Альянс»даже наладиласерийный выпускбольших ди­намо-машин,приводившихсяв действие отпарового двигателя.В этих гене­раторахчугунная станинанесла на себенеподвижноукрепленныев несколь­корядов подковообразныепостоянныемагниты, расположенныеравномернопо окружностии радиальнопо отноше­ниюк валу. В промежуткахмежду ряда­мимагнитов навалу были установленынесущие колесас большим числомка­тушек. Такжена валу былукреплен кол­лекторс 16-ю металлическимипласти­нами,изолированнымидруг от другаи от вала машины.Ток, наводимыйв ка­тушкахпри вращениивала, снималсяс коллекторапри помощироликов. Однатакая машинатребовала длясвоего при­водапаровой двигательмощностью 6—10 л. с. Большимнедостаткомгенерато­ров«Альянс» былото, что в нихиспользовалисьпостоянныемагниты. Таккак магнитноедействие стальныхмагнитов сравнительноневелико, тодля получе­ниясильных токовнужно былобрать большиемагниты и вбольшом числе.Под действиемвибрации силаэтих маг­нитовбыстро ослабевала.Вследствиевсех этих причинКПД машинывсегда оставалсяочень низким.Но даже с таки­минедостаткамигенераторы«Альянса»получили значительноераспространениеи господствовалина рынке в течениедесяти лет,пока их не вытеснилиболее совершенныемашины.

Преждевсего немецкийизобрета­тельСименс усовершенствовалдвижущиесякатушки и ихжелезные сердечники.(Эти катушкис железом внутриполучили название«якоря» или«арматуры».)Якорь Сименсав форме «двой­ногоТ» состоял изжелезногоцилиндра, вкотором былипрорезаны спротивоположныхсторон двапродольныхжелоба. В желобахпомещаласьизоли­рованнаяпроволока,которая накладываласьпо направлениюоси цилиндра.Такой якорьвращался междуполюсами магнита,которые тесноего обхваты­вали.По сравнениюс прежниминовый якорьпредставлялбольшие удобства.Прежде всего,очевидно, чтокатушка в видецилиндра,вращающегосявокруг своейоси, в механическомотношениивыгоднее катушки,насаженнойна вал и вращавшейсявместе с ним.По отношениюк магнитнымдействиям якорьСименса имелту выгоду, чтодавал возможностьочень простоувеличить числодействующихмагнитов, дляэтого достаточнобыло удлинитьякорь и прибавитьнесколько новыхмагнитов. Машинас таким якоремдавала гораздоболее равномерныйток, так какцилиндр былплотно окруженполюсами магнитов.Ноэти достоинстване компенсировалиглавного недостаткавсех магни­тоэлектрическихмашин — магнитноеполе по-прежнемусоздавалосьв гене­раторес помощью постоянныхмагнитов. "Передмногими изобретателямив середине XIXвека вставалвопрос: нельзяли заменитьнеудобныеметалличе­скиемагниты электрическими?Проблема заключаласьв том, что электро­магнитысами потреблялиэлектрическуюэнергию и дляих возбуждениятре­боваласьотдельнаябатарея или,по крайнеймере, отдельнаямагнитоэлек­трическаямашина. Первоевремя казалось,что без нихневозможнообойтись. В1866 году Вильдесоздал удачнуюмодель генератора,в которомметалли­ческиемагниты былизамененыэлектромагнитами,а их возбуждениевызы­валамагнитоэлектрическаямашина с постояннымимагнитами,соединеннаяс тем же паровымдвигателем,который приводилв движениебольшую ма­шину.Отсюда оставалсятолько одиншаг к динамо-машине,ко­торая возбуждаетэлектромагнитысвоим собственнымтоком.

Втом же 1866 годуВернер Сименсоткрыл принципсамовозбуждения.В январе 1867 годуон выступилв БерлинскойАкадемии сдокладом «Опревращениирабочей силыв электрическийток без примененияпостоянныхмагнитов». Вобщих чертахего открытиезаключалосьв следующем.Сименс установил,что в каждомэлектромагните,после того какнамагничивающийток переставалдействовать,всегда оставалисьнебольшие следымагнетизма,которые былиспособны вызватьслабые индукционныетоки в катушке,снабженнойсердечникомиз мягкогомагнитногожелеза и вращавшейсяме­жду полюсамимагнита. Используяэти слабыетоки, можнобыло привестигенератор вдействие безпомощи внешнихвоздействий.

Перваядинамо-машина,работавшаяпо принципуса­мовозбуждения,была созда­нав 1867 году англичаниномЛеддом, но вней еще преду­сматриваласьотдельнаяка­тушка длявозбужденияэлек­тромагнитов.МашинаЛедда состоялаиз двух плоскихэлектромаг­нитов,между концамикото­рых вращалисьдва якоря Сименса.Один из якорейдавал ток дляпитания элек­тромагнитов,а другой — длявнешнейцепи. Слабыйостаточныймагнетизмсердечниковэлектромагнитовсначала возбуждалочень слабыйток в арматурепервого якоря;этот ток обегалэлектромагнитыи усиливал ужеимеющееся вних магнитноесостояние.Вследствиеэтого усиливалсяв свою очередьток в арматуре,а последнийещё более увеличивалсилу электромагнитов.Мало помалутакое взаимноеусиление шлодо тех пор, покаэлектромагни­тыне приобреталиполной сво­ейсилы. Тогдаможно былопривести вдвижение вторуюарматуру иполучить отнее ток длявнешней цепи.

Следующийшаг в совер­шенствованиидинамо-машиныбыл сделан втом направлении,что совершенноустранили од­нуиз арматур ивоспользова­лись другой не только для возбужденияэлектромагни­тов,но и для получениятока во внешнейцепи. Для этогонужно былотолько провеститок из арматуры в обмоткуэлектромагнита,рассчитав всетак, чтобы последний могдостичь полнойсвоей силы инаправить тотже ток во внешнююцепь. Но притаком упрощенииконструкцииякорь Сименсаоказывалсянепригодным,так как прибы­строй переменеполярностей,в якоре возбуждалисьсильные паразитическиетоки, железосердечниковбыстро разогре­валось,и это могло приболь­ших токахпривести кпорче всеймашины. Необходимабыла другаяформа якоря,бо­лее соответствовавшаяновому режимуработы.

Удачноерешение про­блемыбыло вскоренайдено бельгийскимизобретателемЗиновием ТеофилемГраммом. Он жилво Франции ислужил в кампании«Альянс» столярныммастером. Здесьон познакомилсяс электричеством.Размышляя надусовершенствова­ниемэлектрогенератора,Грамм в концеконцов пришелк мысли заменитьякорь Сименсадругим, имеющимкольцевуюформу. Важноеотличие коль­цевогоякоря в том,что он не перемагничиваетсяи имеет постоянныеполюса. Граммпришел к своемуоткрытиюсамостоятельно,но надо сказать,что еще в 1860 г.итальянскийизобретательПачинотти воФлоренциипостроилэлектрическийдвигатель скольцеобраз­нымякорем; впрочем,это открытиевскоре былозабыто.Исходнаяточка поисковГрамма заключаласьв том, чтобызаста­витьвращатьсявнутри проволочнойкатушки железноекольцо, на которомнаведены магнитныеполюсы и такимобразом получитьравномерныйток постоянногонаправления.

ГенераторГрамма, имеетследующееприспособление.В магнитномполе, образуемомполюсами N магнита,вращаютсявосемь замкнутыхметаллическихколец, которыеприкрепленына равном расстояниидруг от другак оси при помощиспиц.

КольцоГрамма состоитиз витков вращающейсяка­тушки, плотнонамотаннойна железноекольцо, в которомток будетиндуцироватьсяэлектрическийток. Но обе половинкикольца соединеныпротивоположнодруг к другу.Зна­чит, токис обеих стороннаправляютсяк верхней половинекольца, и там,следовательно,получаетсяположительныйполюс. Подобнымже образом внижней точке,откуда берутсвое направлениетоки, будетнаходитьсяотри­цательныйполюс. Можно,следовательно,сравнить кольцос батареей,со­ставленнойиз двух частей,которые соединенымежду собойпротивополож­но.Еслитеперь соеди­нитьпротивоположныеконцы кольца,то полу­читсязамкнутая цепьпо­стоянноготока. Но в действительностигенераторГрамма имелболее сложноеустройство,поскольку здесьбыло налицонесколькотехниче­скихзатруднений:с одной стороны,для того чтобыснимать токс кольца, виткиобмотки должныбыть обнажены,с другой — дляполучениясильных токовобмотка должнабыть намотанаплотно и в несколькослоев. Затруднениезаключалосьв том что былосложно изолироватьнижние слоиот верхних. Напрактике кольцоГрамма дополнялоособое, довольносложное устройство,называемоеколлектором,которое и служилодля отводатоков из обмотки.Коллекторсостоял изме­таллическихпластин, прикрепленныхк оси кольцаи имевших формусекто­ровцилиндра. Каждаяпластина тщательноизолироваласьот соседнихсекто­ров иот оси кольца.Концыкаждого сектораобмотки былисоединены содной из металлическихпластин, а скользящиепру­жины помещалисьтак, что постояннонаходилисьв со­единениис самым верхними самым нижнимсекторамиобмотки. Изобеих половинобмотки получалсяпостоян­ныйток, направленныйк той пружине,которая быласо­единенас верхним сектором.Ток обходилверхнюю цепьи возвращалсяв кольцо черезнижнюю пружину.Таким образом,полюса с поверхностисамого кольцапереместилисьна его ось, откудаток было сниматьнамного проще,втаком видевоплотиласьпервоначальнаямодель электрогенератора.Однако онаоказаласьнеработоспособной.Как писал Граммв воспоминанияхо своем изобретении,тут явиласьновая сложность:кольцо, на котороебыл намотанпроводник,сильно разогревалосьвследствиетого, что здесьтоже при быстромвращении генератораиндуцировалисьтоки. В результатепере­греваизоляция тои дело выходилаиз строя. Ломаяголову над тем,как избе­жатьэтой неприятности,Грамм понял,что железныйсердечник якорянельзя делатьсплошным, таккак в этом случаевредные токиоказываютсяслишком большими.Но разбив сердечникна части так,чтобы образовалисьразрывы на путивозникающихтоков, можнобыло сильноуменьшить ихвредное дей­ствие.Этого можнобыло добиться,изготовивсердечник неиз цельногокус­ка, а изпроволоки,налагая ее ввиде кольцаи тщательноизолируя одинслой от другого.На это проволочноекольцо затемнавиваласьобмотка.Каждыйсектор якоряпредставлялсобой катушкуиз многих слоев.Отдельныекатушки соединялисьтак, что проволоканепрерывкеобегала железноекольцо и притомв одном и томже направлении.От мест соединениякаждой парыкатушек шелпроводник ксоответствующейпла­стинеколлектора.Чем больше былочисло оборотовкатушки, тембольшей силыток можно былоснять с кольца.Изготовленныйтаким образомякорь устанавливалсяна ось генератора,Для этого железноекольцо с внутреннейстороны снабжалосьжелезнымиспицами, которыескрепля­лисьс коллектором— мас­сивнымкольцом, насажен­нымна ось машины.Кол­лектор,как уже говорилось,состоял изотдельныхметал­лическихпластин одинако­войширины. Отдельныеслои коллекторабыли изо­лированыдруг от другаи от оси генератора.

Дляснятия токаслужи­ли коллекторныещетки, представлявшиесобой упру­гиелатунные пластины,плотно прилегавшиек кол­лекторув надлежащихмес­тах, Онисоединялисьс за­жимамимашины, откудапостоянныйток поступалво внешнююцепь. Провод,идущий к одномуиз зажимов,кроме того,образовы­валобмотку электромагнитов.Простейшеесоединениегенераторас обмот­камиэлектромагнитаможно былополучить, соединиводин конецобмотки электромагнитас одной из щетокколлектора,напримеротрицательной.Дру­гой конецобмотки электромагнитаподключалсяк положительнойщетке. При такомсоединениивесь ток генераторапроходил черезэлектромагниты.

Вцелом перваядинамо-машинаГрамма представля­ласобой две железныевер­тикальныестойки, соеди­ненныесверху и снизустержнями двухэлектро­магнитов.Полюсы этихэлектромагнитовнаходи­лисьв их середине,так что каждыйиз них был какбы составлениз двух, одинако­выеполюса которыхбыли обращеныдруг к другу.Можно рассматриватьэто устройствоиначе и считать,что две половины,приле­гающиек каждой стойкеи соединенныеею, образовывалидва отдельныхэлектромагнита,которые со­единялисьодноименнымиполюсами сверхуи снизу. В техместах, гдеобра­зовывалсяполюс, к электромагнитамбыли присоединеныособой формыже­лезныенасадки, которыевходили впространствомежду электромагнитамии обхватываликольцеобразныйякорь машины.Две стойки,связывающиеоба электромагнитаи составлявшиеоснову всеймашины, служилитакже для того,чтобы держатьось якоря ишкивы машины.В1870 году, получивпатент на своеизобретение,Грамм образовал«Обществопроизводствамагнитоэлектрическихмашин». Вскоребыло нала­женосерийное производствоего генераторов,которые произвелиподлиннуюреволюцию вэлектроэнергетике.Обладая всемидостоинствамисамовозбуж­дающихсямашин, они вместес тем былиэкономичны,имели высокийКПД и обеспечивалипрактическинеизменныйпо величинеток. Поэтомумашины Граммабыстро вытеснилидругие электрогенераторыи получилиширокое распространениев самых разныхотраслях. Тогдатолько появиласьвозмож­ностьлегко и быстропреобразовыватьмеханическуюэнергию вэлектриче­ство.ОднакоГрамм создавалсвой генератор,как динамо-машинупостоянноготока. Но когдав конце 70-х — начале80-х годов XIXвека резковозрос интереск переменномутоку, ему нестоило большоготруда переделатьего для производствапеременноготока. В самомделе, для этогонадо было толькозаменить коллектордвумя кольцами,по которымскользят пружины.Сначала генераторамипеременноготока пользовалисьтолько приосвещении, нос развитиемэлектрификацииони стали получатьвсе большееприменениеи постепенновытеснилимашины постоянноготока. Первона­чальнаяконструкциягенераторатакже претерпелазначительныеизменения.Первая машинаГрамма быладвухполюсной,но в дальнейшемстали приме­нятьмногополюсныегенераторы,в которых обмоткаякоря проходилапри каждомобороте мимочетырех, шестии более попеременноустановленныхполюсов электромагнита.В этом случаеток возбуждалсяне с двух сторонколеса, какраньше, но вкаждой частиколеса, обращеннойк полюсу, и отсю­даотводился вовнешнюю цепь.Таких мест былостолько, сколькомагнитныхполюсов. Затемвсе щеткиположительныхпо­люсов связывалисьвместе, то естьсоединялисьпараллельно.Точно так жепоступали ис отрицательнымищетками.

Помере увеличениямощности генератороввозникла новаяпроблема —каким образомснять ток свращающегосяякоря с наименьшимипотерями. Делов том, что прибольших токахщетки начиналиискрить. Кромебольших потерьэлектроэнергии,это оказываловредное воздействиена работугенера­тора.Тогда Граммпосчитал рациональнымвернуться ксамой раннейконст­рукцииэлектрогенератора,примененнойв машине Пиксии:он сделал арма­турунеподвижной,а вращатьсязаставилэлектромагниты,ведь снять токс неподвижнойобмотки былопроще. Он поместилкатушки якоряна железномнеподвижномкольце и заставилэлектромагнитывращатьсявнутри него.От­дельныекатушки онсвязал междусобой так, чтобывсе те катушки,которые в данныймомент подвергалисьодинаковомудействиюэлектромагнитов,бы­ли соединеныпоследовательно.Таким образомГрамм разбилвсе катушкина несколькогрупп и каждуюгруппу употребилдля доставлениятока в отдель­нуюсамостоятельнуюцепь. Однаковозбуждающиеток электромагнитыне­обходимобыло питатьпостояннымтоком, так какпеременныйток не мог вызватьв них неизменнойполярности.Поэтому прикаждом генераторепе­ременноготока необходимобыло иметьнебольшойгенераторпостоянноготока.


Геотермическаяэлектростанция(ГеоЭС)


Г

еотермическаяэлектростанция− тепловаяэлектростанция,преобразующаявнутреннеетепло Землив электрическуюэнергию. Источникиглубинноготепла - радиоактивныепревращения,химическиереакции и другиепроцессы,происходящиев земной коретемпературапород с глубинойрастет и науровне 2000-3000 м отповерхностиЗемли превышает100°С. Циркулирующиена большихглубинах водынагреваютсядо значительныхтемператури могут бытьвыведены наповерхностьпо буровымскважинам. Ввулканическихрайонах глубинныеводы, нагреваясь,поднимаютсяпо трещинамв земной коре.В этих районахтермальныеводы имеютнаиболее высокуютемпературуи расположеныблизко к поверхности,иногда онивыделяютсяв виде перегретогопара. Глубинноебурение в будущемпозволит освоитьвысокую температурумагматическихочагов. Термальныеводы с температуройдо 100°С выходятна поверхностьво многих районахСССР. С помощьюэтих источниковпара и преобразуюттепловую энергиюземной корыв электрическую.Так же существуетещё один способполучения пара,для этого черезпробуренныескважины закачиваютхолодную воду,нагреваясь,вода превращаетсяв пар и выходитна поверхностьпод большимдавлением.Полученныйпар вращаеттурбину с соединённымк ней генератором,а генераторпреобразуетмеханическуюэнергию вращенияв кинетическую.Такой способполученияэлектроэнергиииспользуетсяв ГеоЭС НовойЗеландии.

В СоветскомСоюзе перваягеотермальнаяэлектростанциямощностью 5 МВтпущена в 1966 наюге Камчатки,в долине рекиПаужетки, врайоне вулкановКошелева иКамбального.Пароводянаясмесь с теплосодержаниемдо 840 кДж/кг (200 ккал/кг)выводитсябуровыми скважинамина поверхностьи направляетсяв сепарационныеустройства,где при давлении0,23 Мн/м2пар отделяетсяот воды. Отсепарированныйпар поступаетв турбины, агорячая водапри температуреиспользуетсядля теплоснабжениянаселённыхпунктов и длядругих целей.На электростанцииустановленыдве турбинымощностью по2,5 мВт. На геотермальныхэлектростанцияхнет котельногоцеха, топливоподачи,золоулавливателейи многих другихустройств,необходимыхдля обычнойтепловойэлектростанции;практическистанция состоитиз машинногозала и помещениядля электротехническихустройств.Себестоимостьэлектроэнергиина этой геотермальнойэлектростанциив несколькораз ниже, чемна местныхдизельныхэлектростанциях.Потому что нерасходуетсятопливо. Однакостоимостьгеотермальнойэлектростанциивыше чем стоимостьтепловойэлектростанциитой же мощности

Получениеэлектроэнергиина геотермальныхэлектростанцияхосуществляетсяпо одной изсхем: прямой,непрямой исмешанной. Припрямой схемеприродный париз скважиннаправляетсяпо трубам прямов турбины,соединённыес электрическимигенераторами.Пар вращаеттурбину, а турбинавращает генератор.Пар и сконденсировавшаясявода далее идутдля отопленияи иногда в химическоепроизводство.При непрямойсхеме производитсяпредварительнаяочистка параот веществпоступающихвместе с паромиз скважины.При смешаннойсхеме природныйнеочищенныйпар поступаетв турбины, изатем изсконденсировавшейсяводы удаляютсявредные вещества.


В конечномитоге можносделать следующиевыводы:

Факторы"За" ГеоЭС:

1. Минимальнаястепень загрязненияокружающейсреды.

2. Из-замалой площадиразмещения,минимальныеизмененияокружающеголандшафта.

Факторы"Против" ГеоЭС:

1.Невысокаямощность.

2. ГеоЭСвозможно разместитьтолько в районахгде есть геотермальныересурсы, а такихрайонов оченьмало.


Гидроэлектростанции(ГЭС)


Гидроэлектростанция− это комплекссооруженийи оборудования,посредствомкоторых энергияпотока водыпреобразуетсяв электрическуюэнергию. ГЭСсостоит изпоследовательнойцепи гидротехническихсооружений,обеспечивающихнеобходимуюконцентрациюпотока водыи созданиенапора, и энергетическогооборудования,преобразующегоэнергию движущейсяпод напоромводы в электрическуюэнергию. Однииз первыхгидроэлектрическихустановокмощностью всегов несколькосотен Вт былисооружены в1876-81 в Штангассеи Лауфене (Германия)и в Грейсайде(Англия). РазвитиеГЭС и их промышленноеиспользованиетесно связанос проблемойпередачиэлектроэнергиина расстояние:как правило,места, наиболееудобные длясооруженияГЭС, удаленыот основныхпотребителейэлектроэнергии.Протяжённостьсуществовавшихв то время линийэлектропередачне превышала5-10 км;самая длиннаялиния 57 км.Сооружениелинии электропередачи(170 км)от ЛауфенскойГЭС до Франкфурта-на-Майне(Германия) дляснабженияэлектроэнергиейМеждународнаяэлектротехническаявыставки (1891)открыла широкиевозможностидля развитияГЭС. В 1892 промышленныйток дала ГЭС,построеннаяна водопадев Бюлахе (Швейцария),почти одновременнов 1893 были построеныГЭС в Гельшене(Швеция), на рекеИзар (Германия)и в Калифорнии(США). В 1896 вступилав строй НиагарскаяГЭС (США) постоянноготока; в 1898 далаток ГЭС Рейнфельд(Германия), а в1901 стали поднагрузкугидрогенераторыГЭС Жонат (Франция).


НапорГЭС создаётсяконцентрациейпадения рекина используемомучастке плотиной,либо деривацией,либо плотинойи деривациейсовместно.Деривациейв гидротехникеназывают совокупностьсооружений,осуществляющихотвод воды изреки, водохранилищаили другоговодоёма, транспортировкуеё к станционномуузлу ГЭС, насоснойстанции, а такжеотвод воды отних. Различаютдеривациюбезнапорнуюи напорную.Напорная деривация— трубопровод,напорный туннель,применяется,когда колебанияуровня водыв месте её забораили отводазначительны.При малых колебанияхуровня можетприменятьсякак напорная,так и безнапорнаядеривация. Типдеривациивыбираетсяс учётом природныхусловий районана основаниитехнико-экономическогорасчёта. Протяжённостьсовременныхдеривационныхводоводовдостигаетнесколькихдесятков километров,пропускнаяспособностьболее 2000 м3/сек.ОсновноеэнергетическоеоборудованиеГЭС размещаетсяв здании ГЭС:в машинном залеэлектростанции- гидроагрегаты,вспомогательноеоборудование,устройстваавтоматическогоуправленияи контроля; вцентральномпосту управленияпульт оператора-диспетчераили автооператоргидроэлектростанции.Повышающаятрансформаторнаяподстанцияразмещаетсякак внутриздания ГЭС, таки в отдельныхзданиях илина открытыхплощадках.Распределительныеустройствазачастуюрасполагаютсяна открытойплощадке. ЗданиеГЭС может бытьразделено насекции с однимили несколькимиагрегатамии вспомогательнымоборудованием,отделённыеот смежныхчастей здания.При здании ГЭСили внутри негосоздаётсямонтажнаяплощадка длясборки и ремонтаразличногооборудованияи для вспомогательныхопераций пообслуживаниюГЭС. По установленноймощности различаютГЭС мощные(свыше 250 МВт),средние (до 25МВт) и малые(до 5 МВт). МощностьГЭС зависитот напора (разностиуровней верхнегои нижнего расходаводы Q (м3/сек)),используемогов гидротурбинах,и КПД гидроагрегата.

По максимальноиспользуемомунапору ГЭСделятся навысоконапорные(более 60 м), средненапорные(от 25 до 60 м) и низконапорные(от 3 до 25 м). Наравнинных рекахнапоры редкопревышают 100м, в горных условияхпосредствомплотины можносоздаватьнапоры до 300 ми более, а с помощьюдеривации - до1500 м. Классификацияпо напоруприблизительносоответствуеттипам применяемогоэнергетическогооборудования:на высоконапорныхГЭС применяютковшовые ирадиально-осевыетурбины сметаллическимиспиральнымикамерами; насредненапорных- поворотнолопастныеи радиально-осевыетурбины сжелезобетоннымии металлическимиспиральнымикамерами, нанизконапорных- поворотнолопастныетурбины вжелезобетонныхспиральныхкамерах, иногдагоризонтальныетурбины в капсулахили в открытыхкамерах. ПодразделениеГЭС по используемомунапору имеетприблизительный,условный характер.По схеме использованияводных ресурсови концентрациинапоров ГЭСобычно подразделяютна русловые,приплотинные,деривационныес напорной ибезнапорнойдеривацией,смешанные,гидроаккумулирующиеи приливные.

В русловыхи приплотинныхГЭС напор водысоздаётсяплотиной,перегораживающейреку и поднимающейуровень водыв реке. При этомнеизбежнонекотороезатоплениедолины реки.В случае сооружениядвух плотинна том же участкереки площадьзатопленияуменьшается.На равнинныхреках наибольшаяэкономическидопустимаяплощадь затопленияограничиваетвысоту плотины.Русловые иприплотинныеГЭС строят ина равнинныхмноговодныхреках и на горныхреках, в узкихсжатых долинах.

В деривационныхГЭС концентрацияпадения рекисоздаётсяпосредствомдеривации; водав начале используемогоучастка рекиотводится изречного руславодоводом, суклоном, значительноменьшим, чемсредний уклонреки на этомучастке и соспрямлениемизгибов и поворотоврусла. Конецдеривацииподводят кместу расположенияздания ГЭС.Отработаннаявода либовозвращаетсяв реку, либоподводитсяк следующейдеривационнойГЭС. Деривациявыгодна тогда,когда уклонреки велик.Деривационнаясхема концентрациинапора в чистомвиде на практикеприводит ктому, что изреки забираетсялишь небольшаячасть её стока.В других случаяхв начале деривациина реке сооружаетсяболее высокаяплотина и создаётсяводохранилище:такая схемаконцентрациипадения называетсясмешанной, таккак используютсяоба принципасоздания напора.Иногда, в зависимостиот местныхусловий, зданиеГЭС выгоднеерасполагатьна некоторомрасстоянииот конца используемогоучастка рекивверх по течению;деривацияразделяетсяпо отношениюк зданию ГЭСна подводящуюи отводящую.В ряде случаевс помощью деривациипроизводитсяпереброскастока реки всоседнюю реку,имеющую болеенизкие отметкирусла. Характернымпримером являетсяИнгурская ГЭС,где сток рекиИнгури перебрасываетсятуннелем всоседнюю рекуЭрисцкали(Кавказ).

На ГЭСс напорнойдеривациейводовод прокладываетсяс несколькимибольшим продольнымуклоном, чемпри безнапорнойдеривации.Применениенапорной подводящейдеривацииобусловливаетсяизменяемостьюгоризонта водыв верхнем бьефе,из-за чего впроцессе эксплуатацииизменяетсяи внутреннийнапор деривации.

Особоеместо средиГЭС занимаютгидроаккумулирующиеэлектростанции(ГАЭС) и приливныеэлектростанции(ПЭС). СооружениеГАЭС обусловленоростом потребностив пиковой мощностив крупныхэнергетическихсистемах, чтои определяетгенераторнуюмощность, требующуюсядля покрытияпиковых нагрузок.Пиковая электростанция— электростанция,часть или всеагрегаты которойработают тогда,когда потреблениеэлектроэнергиив энергосистемерезко возрастаетна короткоевремя — припике нагрузки,когда потреблениеэлектроэнергиирезко возрастает.Агрегаты пиковойэлектростанциидолжны обладатьвысокой эксплуатационнойманёвренностью,способностьюв короткийсрок, иногдаза две три минуты,развиватьполную мощностьи так же быстроостанавливаться.Пиковые электростанциив энергосистемахмогут служитьобычные гидроэлектрическиестанции игазотурбинныеэлектростанции,а также тепловыепаротурбинныеэлектростанции,приспособленныедля такогорежима работы.

СпособностьГАЭС аккумулироватьэнергию основанана том, что свободнаяв энергосистемев некоторыйпериод времениэлектрическаяэнергия используетсяагрегатамиГАЭС, которые,работая в режименасоса, нагнетаютводу из водохранилищав верхнийаккумулирующийбассейн. В периодпиков нагрузкиаккумулированнаяэнергия возвращаетсяв энергосистему,вода из верхнегобассейна поступаетв напорныйтрубопроводи вращаетгидроагрегаты,работающиев режиме генераторатока. Мощностьотдельных ГАЭСс такими обратимымигидроагрегатамидостигает 1620МВт.ЦелесообразноприменениеГАЭС,которые способныв ночные часы,когда потреблениеэлектроэнергиинезначительно,запасать энергию,создавая нагрузкубазиснымпаротурбиннымэлектростанциям,а в дневныечасы использоватьзапасённуюэнергию дляпокрытия пиковнагрузки.

Приливныеэлектростанции(ПЭС) преобразуютэнергию морскихприливов вэлектрическую.ПЭС используетперепад уровней«полной» и«малой» водыво время приливаи отлива. Перекрывплотиной заливили устье впадающейс море реки ,можно при достаточновысокой амплитудеприлива создатьнапор, достаточныйдля вращениягидротурбини соединённыхс ними гидрогенераторов,размещенныхв теле плотины.При одном бассейнеи правильномполусуточномцикле приливовПЭС можетвырабатыватьэлектроэнергиюнепрерывнов течение 4-5 чс перерывамисоответственно2-1 ч четыреждыза сутки, ПЭСтакого типаназываетсяоднобассейновойдвустороннегодействия. Дляустранениянеравномерностивыработкиэлектроэнергиибассейн ПЭСможно разделитьплотиной надва или трименьших бассейна,в одном из которыхподдерживаетсяуровень «малой»,а в другом –«полной» воды;третий бассейн- резервный;гидроагрегатыустанавливаютсяв теле разделительнойплотины. Но иэта мера полностьюне исключаетпульсацииэнергии, обусловленнойцикличностьюприливов втечение полумесячногопериода. Присовместнойработе в однойэнергосистемес мощными тепловымиили атомнымиэлектростанциями,энергия, вырабатываемаяПЭС, может бытьиспользованадля участияв покрытиипиков нагрузкиэнергосистемы,а входящие вэту же системуГЭС, имеющиеводохранилищасезонногорегулирования,могут компенсироватьвнутримесячныеколебанияэнергии приливов.На ПЭС устанавливаюткапсульныегидроагрегаты,которые могутиспользоватьсяс относительновысоким КПДв генераторноми насосном режимах, а такжев качествеводопропускногоотверстия.Капсульныйгидроагрегат— горизонтальныйосевой гидроагрегатс поворотно-лопастнойгидротурбиной,заключённыйв металлическийкожух-капсулу.Впервые двакапсульныхгидроагрегатамощностью по195 кВт каждыйбыли изготовленышвейцарскойфирмой в 1936 длянебольшой ГЭСв Польше. Отсутствиезначительныхповоротов икрутки потока,плавностьо

чертанийэлементовпроточной частикапсульногогидроагрегатаобеспечиваютего высокуюэффективность:большую пропускнуюспособностьи меньшие габаритыпо сравнениюс обычнымвертикальнымгидроагрегатом,хорошие энергетическиепоказатели.В часы, когдамалая нагрузкаэнергосистемысовпадает повремени с приливомводы в море,гидроагрегатыПЭС либо отключены,либо работаютв насосномрежиме - подкачиваютводу в бассейнвыше уровняприлива илиже аккумулируютэнергию до тогомомента, когдав энергосистеменаступит пикнагрузки. Вслучае, еслиприлив илиотлив совпадаетпо времени смаксимумомнагрузкиэнергосистемы,ПЭС работаетв генераторномрежиме, поэтомуПЭС можетиспользоватьсяв энергосистемекак пиковаяэлектростанция.Так, например,работает ПЭСна 240 МВт, построеннаяв 1966 во Франции.Электроэнергияприливных ГЭСв силу некоторыхособенностей,связанных спериодическимхарактеромприливов иотливов, можетбыть использованав энергосистемахлишь совместнос энергиейрегулирующихэлектростанций,которые восполняютпровалы мощностиприливныхэлектростанцийв течение сутокили месяцев.

Использованиеприливнойэнергии ограниченоглавным образомвысокой стоимостьюсооруженияПЭС, стоимостьсооруженияПЭС почти в 2,5раза больше,чем обычнойречной ГЭСтакой же мощности.Важнейшаяособенностьгидроэнергетическихресурсов посравнению стопливно-энергетическимиресурсами - ихнепрерывнаявозобновляемость.Отсутствиепотребностив топливе дляГЭС определяетнизкую себестоимостьвырабатываемойна ГЭС электроэнергии.Поэтому сооружениюГЭС, несмотряна значительныеудельныекапиталовложенияи продолжительныесроки строительства,придавалосьи придаётсябольшое значение,особенно когдаэто связанос размещениемэлектроёмкихпроизводств.


В конечномитоге можносделать следующиевыводы:

Факторы"За" ГЭС:

1. Нетзагрязненияокружающейсреды золойи дымовымигазами.

2. Гидроресурсыявляютсявозобновляемыми.

3. Высокаямощность.


Факторы"Против"ГЭС:

1. Затоплениеприлежащихрайонов.

2. Разрушениеогромных территорийпри разрушенииГЭС.


Оглавление


  1. Вступление


  1. Генераторыпеременноготока


  1. Паровыетурбины


  1. Атомныеэлектростанции


  1. Гидроэлектростанции


  1. Тепловыеэлектростанции


  1. Ветроэлектрическаястанция


  1. Геотермическаяэлектростанция


  1. Солнечныеэлектростанции


  1. Использованиеэлектроэнергии


  1. Заключение


  1. Краткаясправка


  1. Списоклитературы


Используемаялитература

  • Ядернаяи термоядернаяэнергетикабудущего; ЧуяноваВ.А. ; Москва;Энергоатомиздат;1987.

  • Полупроводниковыефотопреобразователи;Васильев А.М., ЛандсманА. П.; Москва; 1971.

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

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

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

  • Энциклопедияпо физике; ВолодинВ.А.; Москва; 2000.

  • Энергетическиересурсы мира;НепорожнийП.С., Попков В.И.,;Москва; 1995г.

  • Источникиэнергии. Факты,проблемы, решения;Москва; 1997г


Краткаясправка

КурчатовИгорь Васильевичвыдающийсясоветский физики организаторнауки. И.В. Курчатовокончил Крымскийуниверситетв 1923 г. С 1925 по 1942 гг.работал вЛенинградскомфизико-техническоминституте.

Ранниеработы Курчатовапосвященыфизике диэлектриков.Он заложилосновы ученияо сегнетоэлектричестве,внес существенныйвклад в изучениекристаллов.В 1935 г. открываетявление ядернойизомерии, начинаетработу надизучениемядерных реакций.

В 1943 г. былназначенправительствомСССР ответственнымза разработкуи созданиеатомного оружия.Организуетв Москве секретнуюЛабораторию№2 АН СССР (нынеИнститут атомнойэнергии им.И.В. Курчатова),на территориикоторой начинаетсястроительствопервого в нашейстране ядерногореактора (запущен25 декабря 1946 г.).Курчатов проявилсебя как выдающийсяорганизатор,сумевший засчитанные годысобрать коллективлучших ученыхстраны и добитьсярешения сложнейшейпроблемы созданияядерного оружия(в 1949 г. в СССР былаиспытана перваяатомная бомба,в 1953 г. – перваяводороднаябомба).

Последниегоды жизниКурчатов посвятилработе надсозданиемтермоядерногореактора.

КарлГустав Патрикде Лаваль(9.5.1845 - 2.2.1913, Стокгольм),шведский инженери изобретатель.По национальностифранцуз. Окончилтехнологическийинститут иуниверситет(1872) в Упсале. В1878 сконструировалцентробежныйсепараторнепрерывногодействия (длямолока). В 1889 построилпаровую турбинуактивного типа.Впервые применилрасширяющиесясопла, гибкийвал, диск равногосопротивления,позволившийдостигать оченьвысоких окружныхскоростей (419м/сек). Крометого, в турбинахЛаваля былипредусмотренымногие новыеэлементы, частьиз которыхиспользуетсяв современномтурбостроении.Лаваль разработалтакже теориюсопла. Вследствиеряда конструктивныхнедостаткови относительнонебольшоймощности турбиныЛаваля не получилираспространения,но сыграливажную рольв развитиитурбостроения.

ЗенобийТеофил Грамм,(1826-1901), бельгийскийэлектротехник,изобретатель(1870) названныхего именеммагнито- идинамо-электрическихмашин (такжекольцо Грамма),давших возможностьсоздания ипримененияэлектрическоготока для промышленныхцелей.

ТомасИоганн Зеебек(9.4. 1770 - 10.12.1831), немецкийфизик, членБерлинскойАН (1818). Изучалмедицину вБерлине и Гёттингене.В 1821 открыл явлениетермоэлектричества.Совместно сЖ. Пельтье поставилряд опытов, вкоторых былпоказан переходтепловой энергиив электрическуюи обратно. Зеебекпринадлежаттакже работыпо физическойоп тике,физическойхимии и др.


Солнечныеэлектростанции(СЭС)

С

олнечноеизлучение —экологическичистый и возобновляемыйисточникэнергии. Запасысолнечнойэнергии огромны,годовое количествопоступающейна Землю энергиисоставляет1,05*1018кВтч, из них2*1017кВтч приходитсяна поверхностьсуши. Из этогоколичестваэнергии 1,62*1016кВтч в год могутбыть использованыбез ущерба дляокружающейсреды, чтоэквивалентносжиганию 2*1012т угляв год. Последняяцифра в 60 разпревышаетпрогнозируемоена 2020 год производствоэтого видаэнергоресурсовна земном шаре— 34,2 млрд. т угля.

Однакоиспользованиеэтой энергиидля производстваэлектричествав крупных размерахсопряжено сбольшими трудностями,главные изкоторых — низкаяплотностьсолнечнойрадиации наповерхностиземли и прерывистыйхарактер еепоступления.Известные путипреодоленияэтих препятствий— созданиеаккумуляторовэнергии икомбинированныхсолнечно-топливныхили солнечно-атомныхэнергосистем,а также применениеконцентрирующихсолнечнуюэнергию устройств,повышающихее плотность.Однако, этирешения ненашли широкогопримененияособенно встранах, расположенныхв высоких широтах,из-за неконкурентоспособностис традиционнымиэлектростанциями.

Преобразованиесолнечнойэнергии в доступныедля использованиявиды осуществляетсядвумя способами:фототермическим− преобразованиесветовой энергиив тепловую, азатем принеобходимостив электрическуюи фотоэлектрическим− прямое преобразованиесветовой энергиив электрическую.Наиболее простой− это фототермическийспособ. Прифототермическомспособе солнечныелучи с помощьюзеркал фокусируютна котле с водой,вода нагреваетсяи превращаетсяв пар, водянойпар направляютв турбину, гдеон совершаетработу — вращениетурбины. Генераторпеременноготока, вращаемыйтурбиной вырабатываетэлектрическийток. Пригодныони и для работыв космосе, нов этом случаенеобходимспециальныйтеплообменник—излучатель,выполняющийроль конденсаторапара. При этомесли в наземнойпаротурбиннойустановкетеплота конденсацииотводитсяциркулирующейводой, то в условияхкосмоса отводтепла отработавшегов турбине параили газа возможентолько излучением.Поэтому энергоустановкадолжна бытьзамкнутой.Энергоустановки,работающиена фототермическомспособе имеютКПД около 11% испособны набиратьноминальнуючастоту вращениятурбины менеечем через однуминуту посленаведениясолнечногопятна на полостькотла.

Прифотоэлектрическомметоде происходитпреобразованиесветовой энергиив электрическую.Существуетдва типа фотоэлектрическихгенераторов:Термоэлектрогенераторыи солнечныебатареи

Термоэлектрогенераторыоснованы наоткрытом в 1821году немецкимфизиком Т.И.Зеебекомтермоэлектрическомэффекте, состоящемв возникновениина концах двухразнородныхпроводниковтермо-ЭДС, есликонцы этихпроводниковнаходятся приразной температуре.

Открытыйэффект первоначальноиспользовалсяв термометриидля измерениятемператур.ЭнергетическийКПД таких устройств,подразумевающийотношениеэлектрическоймощности, выделяемойна нагрузке,к подведенномутеплу, составлялдоли процента.Только послетого, как академикА.Ф. Иоффе предложилиспользоватьдля изготовлениятермоэлементоввместо металловполупроводники,стало возможнымэнергетическоеиспользованиетермоэлектрическогоэффекта длявыработкиэлектроэнергии,и в 1940—1941 годах вЛенинградскомфизико-техническоминституте былсоздан первыйв мире полупроводниковыйтермоэлектрогенератор.Трудами А.Ф.Иоффе и егошколы в 40—50-е годыбыла разработанаи теориятермоэлектрическогоэффекта вполупроводниках,а также синтезированывесьма эффективныетермоэлектрическиематериалы.

Соединяямежду собойотдельныетермоэлектрическиеэлементы можнодостичь достаточнобольших мощностей.Однако установкав 50 Вт будет веситьоколо 1 кг, следовательно,чтобы обеспечитькрупный городэлектроэнергиейоколо 10 ГВтнеобходимо,чтобы массасолнечнойбатареи былаоколо 200 тыс. т.

Солнечнаябатарея — соединениенесколькихфотоэлектрическихгенераторов.Фотоэлектрическийгенератороснован навнутреннемфотоэффекте.Первые фотоэлектрическиегенераторыс практическиприемлемымКПД преобразованияоколо 6% былиразработаныГ. Пирсоном, К.Фуллером и Д.Чапиным в СШАв 1953—54 годах.Внутреннийфотоэффект− явлениеперераспределениеэлектроновпо энергетическимсостояниямв конденсированнойсреде, происходящеепри поглощенииэлектромагнитногоизлучения, ипоявленияэлектрическоготока в цепи. Внеметаллическихтелах фотоэффектпроявляетсяв измененииэлектропроводности,диэлектрическойпроницаемостисреды или ввозникновениина ее границахэлектродвижущейсилы. В металлахиз-за их высокойэлектропроводностиэтот эффектпрактическине заметен.

Обычносолнечныебатареи выполняютв виде плоскойпанели, собраннойиз отдельныхфотоэлементов,причём толщинаполупроводникане превышает0,2-0,3 мм. КПД серийновыпускаемыхфотоэлектрическихгенераторов10-12%, у лучших образцовон достигает15-18%. Фотоэлектрическиегенераторыспособныпреобразовыватьэнергию излучениясверхвысокойплотности донесколькихкВт/см2.Отдельныеэлементыфотоэлектрическогогенератора.могут бытьсоединены междусобой какпоследовательно,так и параллельно;при этом отгенератораможно получатьсоответственномалую силу токапри большомнапряженииили большуюсилу тока, нопри малом напряжении.Солнечныебатареи имеютменьшую массучем термоэлектрогенераторы.При вырабатываемоймощности в 200Вт солнечнаябатарея имеетмассу в 1 кг.

Особенностьюсолнечныхбатарей являетсято, что онивырабатываюттолько постоянныйток. Для преобразованияпостоянноготока в переменныйнеобходиминвертор. Инверторы− полупроводниковыеприборы. Онимогут бытьразделены надва типа всоответствиис типом фотоэлектрическихсистем: инверторыдля автономныхсистем и инверторыдля сетевогоприменения.

Выходноенапряжениеавтономныхинверторовв большинствеслучаев составляет220 В, а в инверторахмощностью 10-100 кВт можнополучать трехфазноенапряжение380 В. Все автономныеинверторыпреобразуютпостоянныйток аккумуляторныхбатарей, поэтомувходное напряжениевыбираетсяиз ряда 12, 24, 48 и 120 В.Чем большевходное напряжение,тем проще инвертори тем большеего КПД. Прибольших напряженияхзначительноменьше потерина передачуэнергии отсолнечногогенераторак аккумуляторнойбатарее, регуляторузарядки и инвертору,но при этомусложняетсяконструкциясолнечногогенератораи его эксплуатацияпри опасныхнапряжениях(выше 40 В).

Энергетическиехарактеристикисолнечныхбатарей определяютсяполупроводниковымматериалом,конструктивнымиособенностямисолнечныхбатарей является,количествоэлементов вбатарее. Распространённыематериалы длясолнечныхбатарей — Si, GaAs;реже используютсяCdS, CdTe. Наиболеевысокий КПДполучен в солнечныхбатареях изSi со структурой,имеющей электронно-дырочныйпереход—15% приосвещении вземных условиях,и в солнечныхбатареях наоснове GaAs сполупроводниковымгетеропереходом(18%).

Достоинствафотоэлектрическогогенератора− портативность,практическинеограниченныйсрок службыи хранения,отсутствиедвижущихсячастей, простотаобслуживания,отсутствиевредных дляокружающейсреды выделений;их недостаток− относительновысокая стоимость.Фотоэлектрическиегенераторыиспользуютв качествеавтономныхисточниковэнергопитанияаппаратурыкосмическихлетательныхаппаратов,радиоприёмникови приёмно-передающихрадиостанций,маяков и навигационныхуказателей,устройствантикоррозионнойзащиты нефтепроводови газопроводови т.п. Разработаныпроекты созданиясолнечныхэлектростанцийбольшой мощностина основефотоэлектрическихгенераторов,снабженныхконцентраторамисолнечногоизлучения.


В конечномитоге можносделать следующиевыводы:

Факторы"За" солнечныеэлектростанций:

1.Неисчерпаемостьиспользуемыхресурсов.

2. Портативность.

3. Широкиеперспективыразвития вкосмическойпромышленности.

4. Оченьбольшой срокэксплуатацииустановок


Факторы"Против"солнечныхэлектростанций:

1. Высокаястоимостьустановок.

2. Низкаяплотностьпоступающейэнергии (солнечной).

3. Непостоянствои прерывистыйхарактер поступающейэнергии.


Тепловыеэлектростанции(ТЭС)



Тепловаяэлектростанция— электростанция,вырабатывающаяэлектрическуюэнергию в результатепреобразованиятепловой энергии,выделяющейсяпри сжиганииорганическоготоплива. Насегодняшнийдень большаячасть электроэнергиипроизводитьсяна ТЭС. ПервыеТЭС появилисьв конце 19 в. (в 1882- в Нью-Йорке,1883 - в Петербурге,1884 - в Берлине) иполучилипреимущественноераспространение.В середине 70-хгг. XXв. ТЭС - основнойвид электрическихстанций. Долявырабатываемойими электроэнергиисоставляла:в СССР и СШАсв. 80% (1975), в миреоколо 76% (1973). СредиТЭС преобладаюттепловыепаротурбинныеэлектростанции(ТПЭС), на которыхтепловая энергияиспользуетсяв котлоагрегатедля полученияводяного паравысокого давления,приводящегово вращениеротор паровойтурбины, соединённыйс роторомэлектрическогогенератора.Главным элементомТПЭС являетсякотлоагрегат.Котлоагрегат— котельныйагрегат, конструктивнообъединённыйв единое целоекомплекс устройствдля полученияпод давлениемпара или горячейводы за счётсжигания топлива.Главной частьюкотлоагрегатаявляются топочнаякамера и газоходы,в которых размещеныповерхностинагрева, воспринимающиетепло продуктовсгорания топлива.Элементыкотлоагрегатаопираются накаркас и защищеныот потерь теплаобмуровкойи изоляцией.Котлоагрегатыприменяютсяна тепловыхэлектростанцияхдля снабженияпаром турбин;в промышленныхи отопительныхкотельных длявыработки параи горячей водына технологическиеи отопительныенужды; в судовыхкотельныхустановках.Конструкциякотлоагрегатазависит от егоназначения,вида применяемоготоплива и способасжигания, единичнойпаропроизводительности,а также от давленияи температурывырабатываемогопара.

В топочнойкамере котлоагрегатапроисходятсгорание топливаи частичноеохлаждениепродуктовсгорания врезультателучистоготеплообменамежду нагретымигазами и покрывающимистены топочнойкамеры трубами,по которымциркулируетохлаждающаяих среда (водаили пар). Системаэтих труб называетсятопочнымиэкранами. Навыходе из топкигазы имеюттемпературупорядка 1000°С.Для дальнейшегоохлаждениягазов на ихпути устанавливаюттрубчатыеповерхностинагрева —пароперегреватели,выполняемыеобычно в видеширм — трубчатыхзмеевиков,собранных вплоские пакеты.Теплообменв ширмовыхповерхностяхосуществляетсяизлучениеми конвекцией,поэтому частотакие поверхностиназываютполурадиационными.Пройдя ширмовыйпароперегреватель,газы с температурой800—900 °С поступаютв конвективныепароперегревателивысокого инизкого давления,представляющиесобой пакетытруб. Теплообменв этих и последующихповерхностяхнагрева осуществляетсяв основномконвекцией,и они называютсяконвективными.После пароперегревателяна пути газов,имеющих температуру600—700°С, устанавливаетсяводяной экономайзер,а далее воздухоподогреватель,в котором газыохлаждаютсядо 130—170°С. Экономайзер—элементкотлоагрегата,теплообменник,в котором водаперед подачейв котёл подогреваетсяуходящими изкотла газами.Дальнейшемуснижению температурыуходящих изкотлоагрегатагазов путёмполезногоиспользованияих тепла длянагрева рабочейсреды препятствуетконденсацияна поверхностяхнагрева паровводы и сернойкислоты, образующейсяпри сжиганиисернистыхтоплив, чтоприводит кинтенсивномузагрязнениюповерхностейнагрева золовымичастицами ик коррозииметалла. Охлажденныегазы, пройдяустройстваочистки от золыи в некоторыхслучаях отсеры, выбрасываютсядымовой трубойв атмосферу.Твёрдые продуктысгорания топлива,уловленныев котлоагрегате,периодическиили непрерывноудаляются черезсистемы золоудаленияи шлакоудаления.Для поддержанияповерхностейнагрева в чистотев котлоагрегатепредусматриваетсякомплекс периодическивключаемыхобдувочныхи обмывочныхаппаратов идробеочистительныхустройств.

По характерудвижения рабочейсреды котлоагрегатыбывают с многократнойестественнойили принудительнойциркуляциейи прямоточные.В котлоагрегатахс многократнойциркуляциейрабочая среданепрерывнодвижется позамкнутомуконтуру, частичноиспаряясь вобогреваемойчасти контура.Образовавшийсяпар отделяетсяот воды в барабане,а испарённаячасть котловойводы возмещаетсяпитательнойводой, подаваемойпитательнымнасосом в водянойэкономайзери далее в барабан.Движение рабочейсреды по циркуляционномуконтуру вкотлоагрегатес естественнойциркуляциейосуществляетсявследствиеразности плотностейпароводянойсмеси в обогреваемойчасти контураи воды в необогреваемойили слабообогреваемойего части. Вкотлоагрегатес принудительнойциркуляциейрабочая средапо контуруперемещаетсяпод действиемциркуляционногонасоса. Непрерывноеупариваниекотловой водыв котлоагрегатес многократнойестественнойили принудительнойциркуляциейприводит квозрастаниюконцентрациирастворённыхи взвешенныхв ней примесей:солей, окислов,гидратов окислов,которые могут,отлагаясь навнутреннейповерхностиобогреваемыхтруб, ухудшатьусловия ихохлажденияи стать причинойперегреваметалла и аварийнойостановкикотлоагрегатаиз-за разрыватруб. Крометого, чрезмерноеповышениеконцентрациипримесей вкотловой воденедопустимоиз-за уноса ихпаром из барабанас капелькамиводы или в видепарового растворав пароперегреватель,а также в турбину,где примесиоседают налопатках турбомашины,уменьшая еёКПД. Во избежаниевозрастанияконцентрациипримесей вкотловой водепроизводятсянепрерывныеи периодическиепродувки котла.Предельнодопустимаяконцентрацияпримесей определяетсяконструкциейи параметрамикотлоагрегата,составом питательнойводы и тепловыминапряжениямиэкранных поверхностейнагрева. Впрямоточномкотлоагрегатенагрев, испарениеводы и перегревпара осуществляютсяза один проходсреды по тракту.При такой организациипроцесса генерациипара примеси,содержащиесяв воде, не могутбыть выведеныиз котлоагрегатапродувкой частикотловой воды,как это имеетместо в котлоагрегатес естественнойили принудительноймногократнойциркуляцией.В прямоточномкотлоагрегатечасть примесейосаждаетсяна внутреннююповерхноститруб, а частьпоступает втурбину, гдеотлагаетсяна лопатках.Поэтому к водепрямоточныхкотлоагрегатахпредъявляютсяболее жёсткиетребованияв отношенииеё качества.Вода, поступающаяв такие котлоагрегаты,предварительнообрабатываетсяв системеводоподготовки.

Котлоагрегатдля энергоблокамощностью 300МВт представляетсобой сооружениевысотой более50 м, в плане занимаетплощадь порядка1 тыс. м2.На сооружениетакого котлоагрегатарасходуетсяоколо 4,5 тыс. тметалла, примерно1/3 этого количестваприходитсяна трубныесистемы, работающиепод давлениемсвыше 25 МН/м2.КПД котлоагрегатапревышает 90%. Турбоагрегати снабжающийего паромпарогенераторс их вспомогательнымоборудованиеми трубопроводамипара и водыобразуют энергоблокТПЭС. Питательныеи конденсатныенасосы, регенеративныеподогреватели,деаэраторыотносятся квспомогательномуоборудованиютурбиннойустановки.Вспомогательноеоборудованиекотлоагрегата,работающейна твёрдомтопливе, составляютпылеприготовительноеоборудованиеи золоуловители,дутьевые вентиляторы,подающие воздухв топочнуюкамеру парогенератора,и дымососы,отсасывающиепродукты сгораниятоплива: дымовыегазы удаляютсяв атмосферучерез дымовыетрубы высотой150—360 м. В котлоагрегатахна газомазутномтопливе, работающихс избыточнымдавлением втопочной камереи в газоходах,вместо дутьевыхвентиляторовиспользуютвоздуходувкис повышеннымнапором; дымососыпри этом нетребуются.Общие вспомогательныепроизводственныеустановки исооруженияТПЭС — установкии сооружениятехническоговодоснабжения,топливногои зольногохозяйства.Основное назначениетехническоговодоснабжения— обеспечениетурбоагрегатовводой, необходимойдля охлажденияотработавшегопара (на конденсационныхэлектростанцияхрасход водысоставляетсвыше 30 м3/секв расчёте натурбину мощностьюоколо 1 Гвт).Источникомводоснабжениямогут бытьрека, озеро,море. Большейчастью применяютоборотноеводоснабжение,с сооружениемохлаждающихпрудов (наконденсационныхэлектростанциях),реже — прямоточноеводоснабжение,с однократнымпропусканиемохлаждающейводы черезконденсаторытурбин. Топливноехозяйство ТПЭС,использующейтвёрдое топливо— уголь, включаетразгрузочныеустройства,систему ленточныхконвейеров,подающих топливов бункерыпарогенераторов,топливный складс необходимымимеханизмамии транспортнымиустройствами,дробильноеоборудование.Отходы из топочныхкамер удаляютводой по смывнымканалам; затемшлако-водянуюсмесь центробежныминасосами перекачиваютв золоотвалы.Летучую золу,уловленнуюв золоуловителях,удаляют с помощьюводы или воздуха.При использованиив качестветоплива мазутав топливноехозяйствовходят мазутныебаки, насосы,подогреватели,трубопроводы.


Главныйкорпус ТПЭС,в котором размещеныэнергоблоки,вспомогательныепроизводственныеустановки исооружения,электрическиераспределительныеустройства,лаборатории,мастерские,склады и другиепомещенияразмещают напроизводственнойтерриторииТПЭС общейплощадью в30—70 га. Территориюдля конденсационнойэлектростанциивыбирают внегородов, возможноближе к источникуводоснабженияи топливнойбазе. ТЭЦ располагаютвблизи потребителейтепла.

В СССРна ТПЭС производилось(1975) ~99% электроэнергии,вырабатываемойТЭС. В качестветоплива натаких ТЭС используютуголь, мазут,природный газ,лигнит, торф,сланцы. Их КПДдостигает 40%,мощность до3 ГВт. ТПЭС, имеющиев качествепривода электрогенераторовконденсационныетурбины и неиспользующиетепло отработавшегопара для снабжениятепловой энергиейвнешних потребителей,называютсяконденсационными(ГРЭС). На ГРЭСвырабатываетсяоколо 2/3 электроэнергии,производимойна ТЭС. ТПЭС,оснащенныетеплофикационнымитурбинами иотдающие теплоотработавшегопара промышленнымили коммунально-бытовымпотребителям,называемымтеплоэлектроцентралями(ТЭЦ); ими вырабатываетсяоколо 1/3 электроэнергии,производимойна ТЭС.

ТЭС сприводомэлектрогенератораот газовойтурбины называютсягазотурбиннымиэлектростанциями(ГТЭС). В камересгорания ГТЭСсжигают газили жидкоетопливо; продуктысгорания стемпературой750-900оС поступаютв газовую турбину,вращающуюэлектрогенератор.КПД таких ТЭСобычно составляет26-28%, мощность - донесколькихсотен МВт. ГТЭСобычно применяютсядля покрытияпиков электрическойнагрузки.


В конечномитоге можносделать следующиевыводы:

Факторы"За" ТЭС:

1. Высокаямощность.

2. Возможностьиспользоватьпродукты деятельностиТЭС для отоплениядомов и в другихцелях.

3. Распространенностьиспользуемыхресурсов.


Факторы"Против"ТЭС:

1. Самаявысокая степеньзагрязненияокружающейсреды.

2. Расходбольшого количестваорганическоготоплива.

3. НизкийКПД около 30%.


Рефератпо технологии(физика)

На тему:«Получениеи использованиеэлектрическойэнергии»


Выполнил:

Ученик10 Б класса КабисовВалерий

Проверила:

ВерховцеваТатьяна Владимировна


Пароваятурбина

П

ароваятурбина, первичныйпаровой двигательс вращательнымдвижениемрабочего органа— ротора инепрерывнымрабочим процессом;служит дляпреобразованиятепловой энергииводяного парав механическуюработу. Потокводяного парапоступает черезнаправляющиеаппараты накриволинейныелопатки, закрепленныепо окружностиротора, и, воздействуяна них, приводитротор во вращение.В отличие отпоршневойпаровой машины,паровая турбинаиспользуетне потенциальную,а кинетическуюэнергию пара.

В конце19 века, машиностроениеи металлургиядостигли достаточногоуровня длясоздания первыхпаровых турбин.Первые конструкцииэтих установокпредложилиГ. П. Лавальи Ч. А. Парсонс.Независимодруг от другав 1884—89 годах онисоздали промышленнопригодныепаровые турбины.Лаваль применилрасширениепара в коническихнеподвижныхсоплах паровуюструю со сверхзвуковойскоростьюистечениянаправленнуюна один рядрабочих лопаток,насаженныхна диск паровойтурбины. Работающиепо этому принципупаровые турбины,получили названиеактивных. Парсонссоздал многоступенчатуюреактивнуюпаровую турбину,в которой расширениепара осуществлялосьв большом числепоследовательнорасположенныхступеней нетолько в каналахнеподвижных(направляющих)лопаток, но имежду подвижнымилопатками.Паровые турбиныполучили оченьширокое применение,постепенновытесняя поршневыепаровые турбины.

Однаконевозможностьполучить большуюагрегатнуюмощность иочень высокаячастота вращенияодноступенчатыхпаровых турбинЛаваля (до 30 000об/мину первых образцов)привели к тому,что они сохранилисвоё значениетолько дляпривода вспомогательныхмеханизмов.Активные паровыетурбины развивалисьв направлениисозданиямногоступенчатыхконструкций,в которых расширениепара осуществлялосьв ряде последовательнорасположенныхступеней. Этопозволилозначительноувеличитьединичнуюмощность паровыхтурбин, сохранивумереннуючастоту вращения,необходимуюдля непосредственногосоединениявала паровойтурбины с вращаемымею механизмом.

Реактивнаяпаровая турбинаПарсонса некотороевремя применяласьв основном навоенных кораблях,но постепенноуступила местоболее компактнымкомбинированнымактивно-реактивнымпаровым турбинам,у которых реактивнаячасть высокогодавления замененаодновенчатымили двухвенчатымактивным диском.В результатеуменьшилисьпотери на утечкипара череззазоры в лопаточномаппарате, турбинастала прощеи экономичнее.

В зависимостиот характератепловогопроцесса паровыетурбины обычноподразделяютна 3 основныегруппы: конденсационные,теплофикационныеи специальногоназначения.

Конденсационныепаровые турбиныслужат дляпревращениямаксимальновозможной частитеплоты парав механическуюработу. Такиепаровые турбиныработают свыходом отработанногопара в конденсатор,в которомподдерживаетсявакуум. Конденсационныепаровые турбинымогут бытьстационарнымиили транспортными.Стационарныепаровые турбиныв соединениис генераторамипеременногоэлектрическоготока —турбогенератор.Он являетсяосновнымоборудованиемэлектростанций.Чем большемощностьтурбогенератора,тем он экономичнееи тем ниже стоимость1 кВтустановленноймощности. Поэтомумощность паровыхтурбин растетиз года в годи к 1974 достигла1200 МВтв агрегате [придавлении свежегопара до 35 Мн/м2и температуредо 650 °С]. Принятаяв СССР частотаэлектрическоготока 50 Гцтребует, чтобычастота вращенияпаровой турбины,соединённойс двухполюснымгенератором,равнялась 3000об/мин.От стационарныхпаровых турбинтребуетсявысокая экономичностьна нагрузках,близких к полной(около 80%). Транспортныепаровые турбиныиспользуютсяв качествеглавных ивспомогательныхдвигателейна корабляхи судах.

Теплофикационныепаровые турбиныслужат дляодновременногополученияэлектрическойи тепловойэнергии. К нимотносятсяпаровые турбиныс противодавлением,с регулируемымотбором пара,а также с отбороми противодавлением.У паровых турбинс противодавлениемвесь отработавшийпар используетсядля технологическихцелей: отоплениеи др. Электрическаямощность, развиваемаятурбоагрегатомс такой паровойтурбиной, зависитот потребностипроизводстваили отопительнойсистемы в греющемпаре и меняетсявместе с ней.Поэтому турбоагрегатс противодавлениемобычно работаетпараллельнос конденсационнойпаровой турбиной,которая покрываютвозникающийдефицит вэлектроэнергии.В паровой турбинес регулируемымотбором частьпара отводитсяиз промежуточныхступеней, аостальной паридёт в конденсатор.Давление отбираемогопара поддерживаетсяв заданныхпределах системойрегулирования.Место отборавыбирают взависимостиот нужных параметровпара. Давлениепара паровойтурбины дляотопительныхцелей обычносоставляет0,12 Мн/м2,а для технологическихнужд (сахарные,деревообрабатывающие,пищевые предприятия)0,5—1,5 Мн/м2.

Паровыетурбины специальногоназначенияобычно работаютна побочномтепле от металлургических,машиностроительных,и химическихпредприятий.К ним относятсяпаровые турбинымятого пара,двух давленийи предвключённые.Паровые турбинымятого параиспользуютотработавшийпар поршневыхмашин, паровыхмолотов и прессов,имеющий давлениенемного вышеатмосферного.Паровые турбиныдвух давленийработают какна свежем, таки на отработавшемпаре паровыхмеханизмов,подводимомв одну из промежуточныхступеней.Предвключённыепаровые турбиныпредставляютсобой турбиныс высоким начальнымдавлением ивысоким противодавлением;весь отработавшийпар этих паровыхтурбин направляютв другие паровыетурбины с болеенизким начальнымдавлением пара.Необходимостьв предвключённыхпаровых турбинахвозникает примодернизацииэлектростанций,связанных сустановкойпаровых котловболее высокогодавления, накоторое нерассчитаныранее установленныена электростанциипаровые турбины.

Корпуспаровой турбиныс несколькимиступенямидавления разделяютдиафрагмамина отдельныекамеры, в каждойиз которыхпомещен одиниз дисков срабочими лопатками.Пар может проникатьиз одной камерыв другую толькочерез сопла,расположенныепо окружностидиафрагм. Давлениепара снижаетсяпосле каждойступени, а скоростиистечения параостаются примерноодинаковыми,что достигаетсявыбором соответствующихразмеров сопел.Число ступенейдавления умощных турбинс высокиминачальнымипараметрамипара достигает30—40. Посколькуобъём пара помере его расширенияувеличивается,сечения сопели высоты лопатоквозрастаютот первой ступеник последней.Последниеступени мощныхпаровых турбинобычно выполняютсдвоенными,а у самых большихпаровых турбин— строеннымии даже счетверённымиввиду неприемлемобольших размеровлопаток последнихступеней, которыебыли бы необходимыдля пропускавсего объёмапара черезпервую ступень.

По направлениюдвижения потокапара различаютаксиальныепаровые турбины,у которых потокпара движетсявдоль оси турбины,и радиальныепаровые турбины,направлениепотока парав которыхперпендикулярно,а рабочие лопаткирасположеныпараллельнооси вращения.По числу корпусовпаровые турбиныподразделяютна однокорпусные,двухкорпусные,трёхкорпусныеи редко четырёхкорпусные.Многокорпуснаяконструкцияпозволяетразместитьбольшое числоступеней давления,применитьвысококачественныеметаллы в частивысокого давленияи раздвоениепотока парав части низкогодавления; однакотакая пароваятурбина получаетсяболее дорогой,тяжёлой и сложной.По числу валовразличаютодновальныепаровые турбины,у которых валывсех корпусовнаходятся наодной оси, двухвальныеи редко трёхвальные,состоящие издвух или трёхпараллельноразмещенныходновальныхпаровых турбин,связанныхобщностьютепловогопроцесса.

Неподвижнаячасть паровойтурбины — корпус.Его выполняютразъёмным вгоризонтальнойплоскости длявозможностимонтажа ротора.В корпусе имеютсявыточки дляустановкидиафрагм, разъёмкоторых совпадаетс плоскостьюразъёма корпуса.По перифериидиафрагм размещенысопловые каналы,образованныекриволинейнымилопатками,залитыми в телодиафрагм илипривареннымик нему. В местахпрохода валасквозь стенкикорпуса установленыконцевые уплотнениялабиринтовоготипа для предупрежденияутечек паранаружу и засасываниявоздуха в корпус.Лабиринтовыеуплотненияустанавливаютв местах проходаротора сквозьдиафрагмы воизбежаниеперетечек параиз ступени вступень в обходсопел. На переднемконце валаустанавливаютпредельныйрегулятор,автоматическиостанавливающийпаровую турбинупри увеличениичастоты вращенияна 10—12% сверхнормальной.Задний конецротора снабжаютвалоповоротнымустройствомс электрическимприводом длямедленногопроворачиванияротора послеостановкипаровой турбины,что необходимодля равномерногоостывания.


Использованиеэлектроэнергии

Энергетикаобеспечиваетбесперебойнуюработу промышленности,сельскогохозяйства,транспорта,коммунальныххозяйств. Стабильноеразвитие экономикиневозможнобез постоянноразвивающейсяэнергетики.

Научно-техническийпрогресс невозможенбез развитияэнергетики,электрификации.Для повышенияпроизводительноститруда первостепенноезначение имеетмеханизацияи автоматизацияпроизводственныхпроцессов,замена человеческоготруда (особеннотяжелого илимонотонного)машинным. Ноподавляющеебольшинствотехническихсредств механизациии автоматизации(оборудование,приборы, ЭВМ)имеет электрическуюоснову. Особенноширокое применениеэлектрическаяэнергия получиладля приводав действиеэлектрическихмоторов. Мощностьэлектрическихмашин (в зависимостиот их назначения)различна: отдолей ватта(микродвигатели,применяемыево многих отрасляхтехники и вбытовых изделиях)до огромныхвеличин, превышающихмиллион киловатт(генераторыэлектростанций).

Энергетическаяпромышленностьявляется частьютопливно-энергетическойпромышленностии неразрывносвязана с другойсоставляющейэтого гигантскогохозяйственногокомплекса -топливнойпромышленностью.

Электроэнергетиканаряду с другимиотрасляминародногохозяйстварассматриваетсякак часть единойнародно-хозяйственнойэкономическойсистемы. В настоящеевремя безэлектрическойэнергии нашажизнь немыслима.Электроэнергетикавторглась вовсе сферыдеятельностичеловека:промышленностьи сельскоехозяйство,науку и космос.Представитьбез электроэнергиинаш быт такженевозможно.Столь широкоераспространениеобъясняетсяее специфическимисвойствами:

    • возможностипревращатьсяпрактическиво все другиевиды энергии(тепловую,механическую,звуковую, световуюи другие);

    • способностиотносительнопросто передаватьсяна значительныерасстоянияв большихколичествах;

    • огромнымскоростямпротеканияэлектромагнитныхпроцессов;

    • способностик дроблениюэнергии иобразованиеее параметров(изменениенапряжения,частоты).

Основнымпотребителемэлектроэнергииостаетсяпромышленность,хотя ее удельныйвес в общемполезном потребленииэлектроэнергииво всём мирезначительноснижается.Электрическаяэнергия впромышленностиприменяетсядля приведенияв действиеразличныхмеханизмови непосредственнов технологическихпроцессах. Внастоящее времякоэффициентэлектрификациисилового приводав промышленностисоставляет80%. При этом около1/3 электроэнергиирасходуетсянепосредственнона технологическиенужды.

В сельскомхозяйствеэлектроэнергияприменяетсядля обогреватеплиц и помещенийдля скота, освещения,автоматизацииручного трудана фермах.

Огромнуюроль электроэнергияиграет в транспортномкомплексе.Большое количествоэлектроэнергиипотребляетэлектрифицированныйжелезнодорожныйтранспорт, чтопозволяетповышать пропускнуюспособностьдорог за счетувеличенияскорости движенияпоездов, снижатьсебестоимостьперевозок,повышать экономиютоплива.Электрифицированныйноминал железныхдорог в России,составлял попротяженности38% всех железныхдорог страныи около 3% железныхдорог мира,обеспечивает63% грузооборотажелезных дорогРоссии и 1/4 мировогогрузооборотажелезнодорожноготранспорта.В Америке и,особенно встранах Европы,эти показателинесколько выше.

Электроэнергияв быту являетсяосновной частьюобеспечениякомфортабельнойжизни людей.Многие бытовыеприборы (холодильники,телевизоры,стиральныемашины, утюгии другие) былисозданы благодаряразвитиюэлектротехническойпромышленности.

Сегодняпо потреблениюэлектроэнергиина душу населенияРоссия уступает17 странам мира,среди которыхСША, Франция,Германия, отмногих из этихстран отстаети по уровнюэлектровооруженноститруда в промышленностии сельскомхозяйстве.Потреблениеэлектроэнергиив быту и сфереуслуг в России2-5 раз ниже, чемв других развитыхстранах. Приэтом эффективностьи результативностьиспользованияэлектроэнергиив России заметноменьше, чем вряде другихстран.

Электроэнергетика- важнейшаячасть жизнедеятельностичеловека. Уровеньее развитияотражает уровеньразвитияпроизводительныхсил обществаи возможностинаучно-техническогопрогресса.


Ветроэлектрическиестанции (ВЭС)


Ветеродин из самыхдоступных ивозобновляемыхисточниковэнергии. В отличиеот Солнца онможет с егопомощью зимойи летом, днеми ночью, на севереи на юге можновырабатыватьэлектроэнергию.Основные параметрыветра - скоростьи направление- меняются подчасочень быстрои непредсказуемо,что делает этотвид энергоресурсаочень ненадёжным.Таким образом,встают двепроблемы, которыенеобходиморешить дляполноценногоиспользованияэнергии ветра.Во-первых, этовозможность«собирать»кинетическуюэнергию ветрас максимальнойплощади. Во-вторых,еще важнеедобитьсяравномерности,постоянстваветровогопотока. Первуюпроблему можнолегко решить,установивнескольковетроэлектрическихустановок.

В

етроэлектрическаястанция−ветроэнергетическаяустановка,преобразующаякинетическуюэнергию ветровогопотока в электрическую.Ветроэлектрическаястанциясостоит изветродвигателя,генератораэлектрическоготока, автоматическихустройствуправленияработой ветродвигателяи генератора,сооруженийдля их установкии обслуживания.Ветродвигатель— двигатель,использующийкинетическуюэнергию ветрадля выработкимеханическойэнергии. В качестверабочего органаветродвигателя,воспринимающегоэнергию ветровогопотока и преобразующегоеё в механическуюэнергию вращениявала, являетсяротор, барабанс лопатками,ветроколесо.В зависимостиот типа рабочегооргана и положенияего оси относительнопотока различаютветродвигателикарусельные,барабанноготипа и крыльчатые.У карусельныхветродвигателейось вращениярабочего органавертикальна.Ветер давитна лопасти,расположенныепо одну сторонуоси, а лопастипо другую сторонуоси прикрываютсяширмой либоспециальнымприспособлениемповорачиваютсяребром к ветру.Так как лопастидвижутся понаправлениюпотока, то ихокружная скоростьне может превышатьскорости ветра.Поэтому карусельныеветродвигателиотносительнотихоходны,более громоздкии менее эффективны,чем крыльчатые.Коэффициентиспользованияэнергии ветра,оценивающийстепень энергетическогосовершенстваветродвигателяи показывающий,какая доляэнергии ветровогопотока преобразуетсяв механическуюэнергию, у нихне превышает0,15. Такие же недостаткиприсущи ветродвигателюбарабанноготипа, у котороговал барабанарасположенгоризонтальнои перпендикулярнонаправлениюветровогопотока. Преимущественноераспространениеполучили крыльчатыеветродвигатели,у которых осьветроколесагоризонтальнаи параллельнанаправлениюпотока. Ониимеют наивысшийкоэффициентиспользованияэнергии ветрадо 0,48 и болеенадёжны вэксплуатации.Так как лопастьс наконечникомкрепления кступице называетсякрылом, то иветродвигателитакого типаполучил названиекрыльчатого.В зависимостиот числа лопастейразличаютветроколесабыстроходные:менее 4, среднейбыстроходности:от 4 до 8 и тихоходные:более 8 лопастей.Поэтому чемменьше лопастейтем выше угловаяскорость.

Вбольшинствеслучаев ветроэлектрическиестанции пользуютсякак источникомэлектроэнергииотносительнонебольшоймощности вместах, характеризующихсяхорошим ветровымрежимом и удалённыхот сетей централизованногоэлектроснабжения.Наиболее перспективноприменениеветроэлектрическихстанций в сельскомхозяйстве. Дляполучениявысоких мощностейот ВЭС необходиморазмещатьнескольковетроэлектрическихустановок набольшой площади.ВЭС малой мощностиимеют генераторыпостоянногоили переменноготока и работаютс батареямиэлектрохимическихаккумуляторов,которые нетолько запасаютэнергию напериоды безветрия,но и сглаживаютпульсациинапряжения.ВЭС среднейи большой мощностивырабатываютпеременныйток. При использованииветра возникаетсерьезнаяпроблема: избытокэнергии в ветренуюпогоду и недостатокее в периодыбезветрия. Приизолированнойработе дляулучшениякачества энергиии её кратковременногоаккумулированияВЭС снабжаютинерционнымиаккумуляторамии электрическимирегулятораминапряжения.


В конечномитоге можносделать следующиевыводы:

Факторы"За" ветроэлектрическиестанции:

1.Доступность,повсеместноераспространениеи неисчерпаемостьресурсов.

2.Источникэнергии ненужно добыватьи транспортироватьк месту потребления.

3. Низкаяцена ветроэлектрическихустановок.


Факторы"Против"ветроэлектрическихстанций:

1. Непостоянствоскорости ветра,а следовательноскачки напряжения.

2. Малаямощность.


Введение

Современноеобщество кконцу ХХ векастолкнулосьс энергетическимипроблемами,которые приводилиизвестнойстепени дажек кризисам.Человечествостарается найтиновые источникиэнергии, которыебыли бы выгодныво всех отношениях:простота добычи,дешевизнатранспортировки,экологическаячистота, восполняемость.Уголь и газотходят навторой план:их применяюттолько там, гденевозможноиспользоватьчто-либо другое.Всё большееместо в нашейжизни занимаетатомная энергия:её можно использоватькак в ядерныхреакторахкосмическихчелноков, таки в легковомавтомобиле.

Всетрадиционныеисточникиэнергии обязательнозакончатся,особенно припостоянновозрастающихпотребностяхлюдей. Поэтомуна рубеже XXI векачеловек сталзадумыватьсяо том, что станетосновой егосуществованияв новой эре.Есть и другиепричины, в связис которымичеловечествообратилоськ альтернативнымисточникамэнергии. Во-первых,непрерывныйрост промышленности,как основногопотребителявсех видовэнергии (принынешней ситуациизапасов угляхватит примернона 270 лет, нефтина – 35 – 40 лет, газа –на 50 лет). Во-вторых,необходимостьзначительныхфинансовыхзатрат на разведкуновых месторождений,так как частоэти работысвязаны сорганизациейглубокогобурения (в частности,в морских условиях)и другими сложнымии наукоемкимитехнологиями.И, в третьих,экологическиепроблемы, связанныес добычейэнергетическихресурсов. Неменее важнойпричинойнеобходимостиосвоенияальтернативныхисточниковэнергии являетсяпроблема глобальногопотепления.Суть ее заключаетсяв том, что двуокисьуглерода (СО2),высвобождаемаяпри сжиганииугля, нефти ибензина в процессеполучениятепла, электроэнергиии обеспеченияработы транспортныхсредств, поглощаеттепловое излучениеповерхностинашей планеты,нагретой Солнцеми создает такназываемыйпарниковыйэффект.


Заключение

Неоспоримароль энергиив поддержаниии дальнейшемразвитии цивилизации.В современномобществе труднонайти хотя быодну областьчеловеческойдеятельности,которая нетребовала быпрямо или косвеннобольше энергии,чем ее могутдать мускулычеловека.

Традиционныеисточникиэнергии по-прежнемузанимают ведущееположение вмировой электроэнергетике.Однако за каждымновым кубометромгаза или тоннойнефти нужноидти все дальшена север иливосток, зарыватьсявсе глубже вземлю. Немудрено,что нефть и газбудут с каждымгодом стоитьвсё до-роже.Кроме того,природныересурсы ограничены,и, в конце концов,человечествобудет вынужденоперейти сначалана повсеместноеиспользованиеатомной энергии,а потом полностьюна энергиюветра, Солнцаи Земли.

Альтернативнуюэнергию повсеместноможно будетиспользоватьтолько тогда,когда традиционноготоплива станетнастолько мало,что его ценастанет баснословновысокой; иликогда экологическийкризис поставитчеловечествона грань самоуничтожения.Уже сейчасможно существеннопреуменьшитьвероятностьпарниковогоэффекта иликвидироватьвсе экологическинеблагоприятныерайоны за счётиспользованиячистой альтернативнойэнергии. Однакоэтого до сихпор не произошлоиз-за низкойрентабельноститакого строительства.Установкипроизводстваальтернативнойэнергии оченьдороги, а ихмощность намногоменьше мощноститепловых илиатомных электростанций.Подготовительныеработы дляиспользованиялюбого альтернативногоисточникаэнергии стояточень дорого,кроме того, онине всегда безопасныкак для людей,так и для окружающейсреды. Поэтомумоментальноговведения вэксплуатацию«правильного»источникаэлектричестваожидать в ближайшеевремя не стоит.

 
НАПИШИТЕ НАМ
Copyright © Smekni.com. All rigths reserved.