Энергетика

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС.

Совокупность всех видов энергетических ресурсов, предприятий по их добыче, производству, транспортированию, преобразованию и использованию в целях обеспечения потребителей различными видами энергии составляет топливно-энергетический комплекс страны (ТЭК). Подсистемами ТЭК являются электроэнергетическая система, системы газо-, нефте-, углеснабжения, система ядерной энергетики. Состояние ТЭК определяет основные пропорции в развитии народного хозяйства страны. Важнейшими составляющими ТЭК являются энергетика и топливная промышленность.

Отрасль – охватывающая получение, преобразование, передачу и использование различных видов энергии и энергетических ресурсов.

В настоящее время значение энергетики для любой страны возросло настолько, что масштабы производства и практического использования энергии и энергетических ресурсов рассматриваются как важнейшие показатели экономического потенциала страны, ее производственных (технологических) и научных возможностей.

Основные виды энергетических ресурсов – органическое топливо (уголь, нефть, природный газ), энергия водного потока (гидроэнергетические ресурсы), ядерная энергия, внутреннее тепло земли (геотермальные ресурсы), энергия ветра и солнечного излучения (солнечной радиации).

Различают энергоресурсы возобновляемые (гидроэнергоресурсы, энергия солнечной радиации, внутреннее тепло земли, энергия ветра) и невозобновляемые (органическое топливо и ядерная энергия, точнее – ядерное топливо).

Используемые топливные ресурсы подразделяются:

А) энергетические (для выработки электроэнергии и тепла и т. д.)

Б) технологические (применяемые в промышленных установках для выполнения рабочих процессов, в промышленных печах, кузнечных горнах и другом технологическом оборудовании).

По виду используемых энергоресурсов все электростанции подразделяются:

А) тепловые электростанции (ТЭС)

Б) гидроэлектростанции (ГЭС), в том числе приливные (ПЭС)

В) атомные электростанции (АЭС)

Г) солнечные энергетические установки, солнечные батареи

Д) ветроэнергетические установки

В 80-е годы в СССР вырабатывалось электроэнергии –

на ТЭС – 75% всей вырабатываемой электроэнергии. ГЭС –13%

АЭС – 11%

Первые ТЭС появились 1882 г. – в Нью-Йорке,

1883г. – в Петербурге,

1884г. – в Берлине.

Сегодня паротурбинные ТЭС – основа электроэнергетики. Основное оборудование паротурбинных ТЭС - турбоагрегаты (паровая турбина, соединенная с электрогенератором) и котлоагрегаты (паровые котлы, пароперегреватели), вырабатывающие пар для турбин. Существует два типа паровых турбин, используемых на ТЭС: конденсационные и теплофикационные.

Конденсационные электростанции (КЭС), на которых в качестве привода электрогенераторов применяют конденсационные турбины. На таких электростанциях отработавший в турбине пар конденсируется вконденсаторах и затем в виде пароводяной смеси подается обратно в котлоагрегат, где нагревается и снова подается на турбину. Замкнутый цикл: котлоагрегат – паровая турбина –конденсатор –котлоагрегат. КПД КЭС 35-42%. В России их еще называют ГРЭС (государственные районные электростанции). Название – до организации энергосистем, каждая КЭС обеспечивала электроэнергией в пределах района.

Первые районные электростанции:

Каширская 2 агрегата по 6 МВт.

Шатурская 1 агр.- 16 МВт.

Криворжская -3000 МВт, турбоагрегаты–300, 500, 800 и 1200 МВт.

Костромская – 3600 МВт.

Теплофикационная электростанция или теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), вырабатывает электроэнергию и тепло. Комбинированное производство электроэнергии и тепла способствует более эффективному использованию топлива по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии на КЭС и тепла – в местных котельных.

Суммарная электрическая мощность ТЭЦ в СССР в 80гг.– 65 ГВт гадовая выработка электроэнергии составила 335 млрд. КВт*ч, а отпуск тепла – 6*10^:6: ГДж.

Газотурбинные электростанции (ГТЭС) первичными двигателями для привода электрогенераторов служат газовые турбины (подобные тем, как в авиации). Продукт сгорания (керосин, мазут) сжигают в спец. Камерах. А образовавшиеся при этом продукты сгорания в виде раскаленных до t=750-900⁰С направляются в газовую турбину, вращающую ротор электрогенератора. Основное назначение ГТЭС – покрытие пиковых нагрузок.

Дизельные электростанции (ДЭС) представляют собой электроэнергетическую установку с приводом электрогенератора от дизельного двигателя.

Геотермические электростанции (ГЭС) (Камчатка 11МВТ 1966г.)

–работа основана на использовании внутреннего тепла Земли.

Во второй половине ХХ века поиски новых источников энергии привели к созданию принципиально новых электрознергетических установок с прямым преобразованием внутренней энергии в электрическую без участия электромашинных генераторов тока (магнитогидродинамические генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи).

В МГД- генераторах энергия движущегося рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды) преобразуется непосредственно в электроэнергию (без электромашинных генераторов тока) под действием магнитного поля. МГД-генератор имеет камеру сгорания – источник ионизованного газа (плазмы), канал, по которому движется этот ионизированный газ, электромагнитную систему для создания магнитного поля и устройства для отвода электрического тока в нагрузку.

Для получения ионизированного газа в топливо добавляют присадки - щелочные металлы (К, Na, Сs) или их соли. Под действием магнитного поля заряженные ионы с разными знаками, содержащиеся в ионизированном газе, смещаются в противоположном направлении к стенкам канала, где снимаются электродами к потребителю электроэнергии.

В термоэлектрических преобразователях прямое преобразование внутренней энергии в электрическую основано на возникновении электрического тока в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводников, если места соединения этих проводников имеют разную температуру. Мощность ТЭГ достигает несколько сотен киловатт.
Действие термоэмиссионных преобразователей основано на свойстве нагретых тел испускать электроны. Простейший ТЭП состоит из двух электродов. При нагревании одного из электродов (катода) с его поверхности начинают вылетать электроны, которые достигают другого электрода (анода). Если к элетродам подключитьнагрузку, то во внешней цепи потечет ток.(подобно ваккумной лампе).

Атомные электростанции (АЭС)– основа ядерной энергетики.

На АЭС источником энергии служит ядерный реактор, в котором протекает управляемая цепная реакция деления ядер тяжелых элементов, таких как уран-235 (²³⁵ U) и плутоний-239 (²³⁹Pu).

При делении 1 г. изотопов урана или плутония высвобождается столько же энергии как при сгорании 2800 кг условного топлива.

Ядерное топливо на АЭС находится в реакторе в ТВЭЛах ­– тепловыделяющих элементах, состоящих из сердечника (собственное топливо) и герметичной оболочки. Сердечник, помимо делящегося вещества – урана-235, обычно содержит «сырьевое вещество», обеспечивающее воспроизводство ядерного топлива, – уран-238 и теллурий-232. ТЭВЛы размещают в активной зоне реактора, через которую во время работы реактора прокачивают теплоноситель – обычную воду (или газ), служащую своебразным аккумулятором тепла, выделяющегося в активной зоне.

Из реактора теплоноситель поступает в парогенератор, где теплота, накопленная им в активной зоне, преобразуется во внутреннюю энергию пара, которая далее превращается в электрическую энергию так же, как на обычной паротурбинной ТЭС. При работе реактора концентрация делящихся изотопов постепенно уменьшается – топливо «выгорает». Со временем ТВЭЛы с выгоревшим топливом заменяют новыми, а отслужившие направляют на переработку.

Значительную долю ядерной энергетики составляют ядерные силовые установки, применяемые на ледоколах, кораблях и подводных лодках. Такая установка состоит из ядерного реактора (с соответствующим оборудованием) и паро- или газотурбинной установки, посредством которой внутреняя энергия, выделяющаяся в реакторе, преобразовывается в механическую или электрическую, используемую для привода судна. Корабельные ядерные силовые установки имеют преимущества: обеспечивают судну практически неограниченную автономность плавания, возможность длительного хода с высокой скоростью, отсутсвие неоходимости в кислороде, что важно для подводных лодок.

Атомные электростанции в отличие от обычных ТЭС не загрязняют атмосферу оксидами серы, азота, губительно влияющими на окружающую среду. Однако большую опасность представляют радиактивные выбросы при авариях или нарушениях технологическогих режимов. Кроме того при работе АЭС образуется большое количество жидких и твердых радиоактивных отходов со средним уровнем радиоактивности (теплоноситель при его замене, дезактивационные отходы, отделльные детали и узлы реакторного оборудования, инструмент, спецодежда и т.п.). Кроме того образование летучих соединений радиоактивных отходов (воздух из рад. зала).

Сложной проблемой в ядерной энергетике является разработка надежных и экономичных способов захоронения больших количеств высокоактивных отходов. В настоящее время такие отходы в герметично закупоренных контейнерах сбрасывают в моря и океаны, опускают в глубокие пещеры и выработанные шахты. Однако такой метод вызывает серьезные возражения.

Одна из важнейших проблем ядерной электроэнергии – получение энергии от управляемого термоядерного синтеза – слияния легких атомных ядер, проходящего с выделением энергии, при высоких t⁰ в регулируемых условиях. В природе термоядерный синтез происходит лишь в недрах звезд. Практическая реализация управляемого термоядерного синтеза на Земле связана с использованием изотопов водорода – дейтерия D (² H) и трития Т (³Н). Программа «Токамак».

Гидроэлектростанции. В состав ГЭС входят гидротехнические сооружения (плотина) для концентрации естественного водного потока и создания требуемого напора воды (под действием которого вращается гидротурбина) и гидроагрегаты, преобразующие энергию воды в механическую энергию вращения, которая затем превращается в электрогенераторе в электрическую. Гидроэлектростанции являются мобильными энергетическими установками, выгодно отличающимися от ТЭС в области регулирования частоты электрического тока, покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах, маневрирования мощностью.

Вода падая с высоты, производит работу (произведение веса на высоту), вес пропорц. ее обьему, тогда, если

R- расход – количество воды м³*сек

Н – высота падения

Мощность водяного потока в киловаттах

N=(1000/102)R*H=9,8R*H

1000-число кг в м³

102-число кг*м/в сек. –равной 1КВт мощности

с учетом КПД гидроустановки 0,8 – 0,85

Мощность водяного потока в киловаттах равен:

N=8R*H (КВТ)

Затраты труда на 1 мощности на ГЭС почти в 10 раз меньше чем на ТЭС (с учетом добычи топлива и транспортировки). В результате электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС, в 4 раза дешевле электроэнергии, получаемой на ТЭС.

Гидроаккумулирующие (ГАЭС) (200 МВт-Киев), приливные (ПЭС) (Мурманск 800 КВт).

Отличительная особенность ГАЭС – наличие двух бассейнов (водоемов), расположенных на разных уровнях (по высоте), и работа станции в двух режимах: накопления и генерирования энергии. При дефиците элекроэнергии в энергосистеме воду из верхнего бассейна подводят к гидроагрегатам, которые и преобразуют потенциальную энергию запасенной воды в электрическую энергию, как на ГЭС. При избытке энергии (например, в ночное время) ГАЭС аккумулирует энергию (перекачивает воду из нижнего бассейна в верхний). Служит для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах.

На ПЭС для выработки электроэнергии используют энергию морских приливов. Перекрыв плотиной залив или устье впадающей в море реки и образовав таким образом бассейн ПЭС, можно при амплитуде прилива (более 4 м.) создать напор, достаточный для вращения турбин и соединенных с ними генераторов.

Ветроэлектрические станции, основу которых состовляют ветродвигатель и электрогенератор. Используют как источники электроэнергии небольшой мощности в местах с устойчивым ветровым режимом. Одна из первых в мире ветроэлектрических станций построена в Курске 1929-1930гг. (100 КВт).

Наибольшее внимание энергетики уделяют непосредственному преобразованию энергии солнечного излучения в электрическую при помощи солнечных батарей.

Солнечная батарея – совокупность большего числа полупроводниковых фотоэлементов, электрически соединенных между собой. Действие такого фотоэлемента основано на явлении внутреннего фотоэффекта (в полупроводнике под действием света возникает ЭДС (фотоЭДС). Число фотоэлементов в солнечной батарее может достигать несколько сотен тысяч, генерируемая мощность – несколько десятков киловатт.

Дата добавления: 2013-12-13