Виды, способы получения,
преобразования и использования
энергииЛекция 2. Виды, способы получения,
преобразования и использования
энергии
Энергия и ее виды
Согласно современным
представлениям энергия – это
общая количественная мера различных
форм движения материи. Имеются
качественно разные физические
формы движения материи, которые
способны превращаться одна в
другую. В середине ХХ в. было
установлено, что все формы
движения превращаются друг в
друга в строго определенных
отношениях. Именно это обстоятельство
и позволило ввести понятие
энергии как общей меры движения
материи.
Тепловые и атомные
электрические станции (ТЭС и
АЭС), гидроэлектростанции
Одним из наиболее
совершенных видов энергии является
электроэнергия. Ее широкое использование
обусловлено следующими факторами:
-возможностью выработки
электроэнергии в больших количествах
вблизи месторождений и водных
источников;
-возможностью транспортировки
на дальние расстояния с относительно
небольшими потерями;
-возможностью трансформации
электроэнергии в другие виды
энергии: механическую, химическую,
тепловую, световую;
-отсутствием загрязнения
окружающей среды;
-возможностью применения
на основе электроэнергии новых
прогрессивных технологических
процессов.
Тепловая энергия широко
используется на современных
производствах и в быту в
виде энергии пара, горячей воды,
продуктов сгорания. Электрическая
и тепловая энергия производится
на:
1) тепловых электрических
станциях на органическом топливе
(ТЭС) с использованием в турбинах
водяного пара (паротурбинные установки
– ПТУ), продуктов сгорания (газотурбинные
установки – ГТУ), их комбинаций
(парогазовые установки – ПГУ);
2) гидравлических электрических
станциях (ГЭС), использующих энергию
падающего потока воды, течения,
прилива;
3) атомных электрических
станциях (АЭС), использующих энергию
ядерного распада.
Тепловые электрические
станции (ТЭС) можно разделить
на конденсационные электрические
станции (КЭС), производящие только
электроэнергию (они также называются
ГРЭС – государственные районные
электростанции), и теплоэлектроцентрали
(ТЭЦ) – электрические станции
с комбинированной выработкой
электрической и тепловой энергии.
Производство электроэнергии
на ТЭС
Современные тепловые
электростанции имеют преимущественно
блочную структуру. ТЭС с блочной
структурой составляется из отдельных
энергоблоков. В состав каждого
энергоблока входят основные
агрегаты – турбинный и котельный
и связанное сними вспомогательное
оборудование. Турбина вместе с
котлом, питающим ее паром, образует
моноблок.
Уголь поступает в
систему подготовки топлива, в
которой дробится, подсушивается
и размалывается, превращаясь
в угольную пыль. В таком виде
топливо поступает в горелки,
в которых смешивается с подогретым
воздухом. Если используется жидкое
топливо (мазут), то оно подогревается
до 100 - 140 ° С и распыляется в форсунках.
Топливо сгорает в
топочной камере парового котла
с выделением теплоты. Эта теплота
передается рабочему телу –
воде, превращая ее сначала в
насыщенный пар, а затем перегретый
(имеющий температуру более высокую,
чем температура кипения жидкости
при данном давлении), обладающий
большой энергией.
Паровой котел представляет
собой систему теплообменников
(поверхностей нагрева), в которых
производится в требуемом количестве
пар заданных параметров из
непрерывно поступающей воды
за счет теплоты, получаемой
при сжигании органического топлива.
Температура в зоне активного
горения в топочной камере
может достигать 1500 - 1800°С в зависимости
от вида сжигаемого топлива и режима горения.
Энергия пара приводит
во вращение ротор паровой
турбины. В процессе расширения
рабочего тела (пара) в соплах
потенциальная энергия переходит
в кинетическую, что сопровождается
увеличением скорости потока. Расширяясь
в ступенях турбины, пар совершает
работу. Механическая энергия вращения
вала турбины передается электрогенератору,
вырабатывающему электроэнергию, которая
после повышения напряжения в
трансформаторе направляется по
линиям электропередачи к потребителю.
Отработанный в турбине
пар подается в конденсатор,
где конденсируется, отдавая тепло
охлаждающей воде (пруды-охладители
или естественные водоемы).
Конденсатор – теплообменный
аппарат, предназначенный для
превращения отработавшего в
турбине пара в жидкое состояние
– конденсат. Образующийся конденсат
откачивается из конденсатора
и после ряда технологических
операций поступает в котел.
Цикл замыкается. Основным показателем
энергетической эффективности электростанции
является коэффициент полезного
действия (КПД) по отпуску электрической
энергии, называемый абсолютным
электрическим коэффициентом полезного
действия электростанции. Он определяется
отношением отпущенной (выработанной)
электроэнергии к затраченной
энергии (теплоте сожженного топлива)
и составляет 35 – 40%.
Теплоэлектроцентрали
Теплоэлектроцентрали
отпускают электроэнергию потребителю,
так же как и КЭС (конденсационные
электрические станции), и кроме
этого тепловую энергию в виде
пара и горячей воды для
технологических нужд производства
и горячей воды для коммунально-бытового
потребления (отопление, горячее
водоснабжение). При такой комбинированной
выработке тепловой и электрической
энергии в тепловую сеть отдается
главным образом теплота отработавшего
в турбинах пара (или газа), что
приводит к снижению расхода
топлива на 25 – 30% по с равнению
с раздельной выработкой электроэнергии
на КЭС и теплоты в районных
котельных. Поскольку для производственных
и бытовых нужд требуется пар
или вода в относительно широком
диапазоне температур и давлений,
на ТЭЦ применяются теплофикационные
турбины различных типов в
зависимости от характера потребления
теплоты.
Районные котельные
Районные котельные
предназначены для централизованного
теплоснабжения промышленности
и жилищно-коммунального хозяйства,
а также для покрытия пиковых
тепловых нагрузок в теплофикационных
системах. Сооружение их требует
меньших капиталовложений и может
быть проведено в более короткие
сроки, чем сооружение ТЭЦ той
же тепловой мощности. Поэтому
во многих случаях теплофикацию
районов начинают со строительства
районных котельных. До ввода
в работу ТЭЦ эти котельные
являются основным источником
теплоснабжения района. После ввода
ТЭЦ они используются в качестве
пиковых. Котельные сооружают
на площадках ТЭЦ или в районах
теплопотребления. В них устанавливают
водогрейные котлы или паровые
котлы низкого давления (1,2 – 2,4
Мпа). Выбор типа котлов в котельной
производится на основе технико-экономических
расчетов.
Атомные электрические
станции
Тепловые схемы атомных
электростанций зависят от типа
реактора, вида теплоносителя, состава
оборудования. Тепловые схемы могут
быть одно-, двух- и трехконтурными.
В одноконтурных схемах
пар вырабатывается непосредственно
в реакторе. Полученная пароводяная
смесь подается в барабан-сепаратор,
отсепарированный насыщенный пар
поступает в паровую турбину.
Отработанный в турбине пар
конденсируется, и конденсат циркуляционным
насосом подается в реактор.
Одноконтурная схема наиболее
проста в конструктивном отношении
и достаточно экономична. Однако
рабочее тело на выходе из
реактора становится радиоактивным,
что предъявляет повышенные требования
к биологической защите и затрудняет
проведение контроля и ремонта
оборудования.
В двухконтурных схемах
существуют два самостоятельных
контура. Контур теплоносителя
– первый; контур рабочего тела
– второй. Общее оборудование
обоих контуров – парогенератор.
Нагретый в реакторе теплоноситель
поступает в парогенератор, где
отдает свою теплоту рабочему
телу и при помощи главного
циркуляционного насоса возвращается
в реактор. Полученный в парогенераторе
пар подается в турбину, совершает
в ней работу, конденсируется, конденсат
питательным насосом подается в парогенератор.
Наличие парогенератора хотя и усложняет
установку и уменьшает ее экономичность,
но препятствует появлению радиоактивности
во втором контуре.
В трехконтурной схеме
теплоносителями первого контура
служат жидкие металлы, например
натрий. Радиоактивный натрий первого
контура из реактора направляется
в теплообменник, где отдает
теплоту натрию промежуточного
контура, и циркуляционным насосом
возвращается в реактор. Давление
натрия в промежуточном контуре
выше, чем в первом, для исключения
утечек радиоактивного натрия. Натрий
промежуточного контура отдает
теплоту в парогенераторе рабочему
телу (воде) третьего контура. Образующийся
в парогенераторе пар поступает
в турбину, совершает работу, конденсируется
и питательным насосом подается
в парогенератор. Трехконтурная
схема требует больших затрат,
но обеспечивает безопасную эксплуатацию
реактора.
Работа АЭС по технологическим
условиям отличается от работы
тепловой электростанции. Основным
различием является то, что роль
источника теплоты на тепловой
электростанции играет паровой
котел, в котором сжигается
органическое топливо, а на
АЭС – ядерный реактор, теплота
в котором выделяется в результате
деления ядерного топлива. Ядерное
топливо обладает высокой теплотворной
способностью (в миллионы раз
выше, чем органическое). В процессе
работы ядерного реактора образуется
большое количество радиоактивных
веществ в топливе, конструкционных
материалах, теплоносителе. Поэтому
АЭС является потенциальным источником
радиационной опасности для обслуживающего
персонала, а также для окружающего
населения, что повышает требования
к надежности и безопасности
ее эксплуатации.
Нетрадиционные и возобновляемые
источники энергии
- под нетрадиционными
и возобновляемыми источниками
энергии понимаются источники
электрической и тепловой энергии,
использующие энергетические ресурсы
рек, водохранилищ и промышленных
водостоков, энергию ветра, солнца,
редуцируемого природного газа,
биомассы (включая древесные отходы),
сточных вод и твердых бытовых
отходов.
Государственная энергетическая
программа РБ на период до 2010
г. предусматривает использование
нетрадиционных и возобновляемых
источников энергии в нарастающих
масштабах. С учетом природных
условий – это и географическое
положение, и метеорологические
условия республики предпочтение
отдается малым гидроэлектростанциям,
ветровым установкам, биоэнергетическим
установкам, установкам для сжигания
отходов растениеводства и бытовых
отходов, гелиоводоподогревателям.
Программа оценивает потенциал
этих источников в 5% от всей
расчетной экономии топлива, которую
планируется получить за счет
всех мероприятий по энергосбережению.
Основной особенностью
возобновляемых источников энергии
является то, что воспроизводство
их энергетического потенциала
происходит быстрее, чем его
расходование.
Основными источниками
возобновляемой энергии являются:
1) солнечное излучение;
2) гравитационное взаимодействие
Солнца, Луны и Земли (имеющее
следствием, например, морские приливы
и отливы);
3) тепловая энергия ядра
Земли, а также химических реакций
и радиоактивного распада в
ее недрах (проявляющаяся, например,
в виде геотермальной энергии
источников горячей воды –
гейзеров).
Прямое преобразование
солнечной энергии
Солнечные водоподогреватели
(гелиоводоподогреватели). Преобразование
солнечной энергии в тепловую
обеспечивается за счет способности
атомов вещества поглощать электромагнитное
излучение. При этом энергия
электромагнитного излучения преобразуется
в кинетическую энергию атомов
и молекул вещества, т.е. в тепловую
энергию. Результатом этого является
повышение температуры. Для энергетических
целей наиболее распространенным
является использование солнечного
излучения для нагрева воды
в системах отопления и горячего
водоснабжения.
Энергетическая программа
РБ до 2010 года предусматривает
крупносерийное производство гелиоводоподогревательных
установок, разработанных белорусскими
учеными. Основным элементов солнечной
нагревательной системы является
приемник, в котором происходит
поглощение солнечного излучения
и передача энергии жидкости.
Подогреватели воздуха.
Солнечное излучение можно использовать
для подогрева воздуха, просушивания
зерна, для обогрева зданий. На
обогрев зданий в странах с
холодным климатом расходуется
до половины энергетических ресурсов.
Специально спроектированные или
перестроенные здания для использования
солнечного тепла позволяют сэкономить
значительные количества топлива.
Поскольку теплопроводность воздуха
намного ниже, чем воды, передача
энергии от приемной поверхности
к теплоносителю (воздуху) происходит
намного слабее. Поэтому нагреватели
такого типа чаще всего изготавливают
с шероховатыми (для турбулизации
потока) и имеющими большую площадь
приемными поверхностями (для
увеличения поверхности теплообмена).
Концентраторы солнечной
энергии (солнечные коллекторы).
Концентрирующий коллектор включает
в себя приемник, поглощающий
излучение и преобразующий его
в какой-либо другой вид энергии,
и концентратор, который представляет
собой оптическую систему, собирающую
солнечное излучение с большой
поверхности и направляющую его
на приемник. Обычно концентратор
постоянно вращается для обеспечения
ориентации на Солнце. Чаще всего
он представляет собой зеркало
параболической формы, в фокусе
которого располагается приемник
излучения.
Солнечные системы
для получения электроэнергии (солнечные
электростанции). Концентрация солнечной
энергии позволяет получать температуры
до 700° С, которой достаточно для работы
теплового двигателя. Например, параболический
концентратор с диаметром зеркала 30 м
позволяет сконцентрировать мощность
излучения порядка 700 кВт, что дает возможность
получить до 200 кВт электроэнергии. Для
создания солнечных электростанций большой
мощности (порядка 10 МВт) возможны два
варианта: рассредоточенные коллекторы
и системы с центральной солнечной башней.