Учебное пособие: Общая энергетика

В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы, на которые действуют как направленные, так и рассеянные солнечные лучи. Кремниевые фотоэлементы могут одинаково успешно работать зимой и летом. Зимой снижение светового потока компенсируется увеличением КПД за счет понижения температуры. КПД кремниевых фотоэлементов достигает примерно 15%.

Из-за сложной технологии изготовления полупроводников и их большой стоимости кремниевые фотоэлементы применяются пока на уникальных установках, например на спутниках Земли. В будущем можно ожидать более широкое применение фотоэлектрических генераторов, преобразующих большие потоки энергии солнечной радиации.

Солнечная энергия может быть использована также в фотоэлектрических процессах, протекающих подобно естественному фотосинтезу органических веществ. Практическое освоение таких процессов позволило бы получать необходимую человечеству энергию и решить актуальную проблему истощения запасов органического топлива.

Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (примерно 0,15 МВт-ч на 1 м2 поверхности в год), в современных условиях затруднительно использовать из-за низкой плотности солнечной радиации и ее зависимости от состояния атмосферы (облачности) и времен» года. Возможно создание солнечных станций на искусственных спутниках Земли. В этом случае солнечная энергия будет аккумулироваться в течение 24 ч, а следовательно, эффективность работы станции не будет зависеть от облачного покрова. Передача энергии на Землю должна осуществляться по каналу УКВ. Принципиальная схема солнечной станции на искусственном спутнике и ее общий вид представлены на рис. 3.16, а, б. Размеры спутника-коллектора солнечной энергии (рис. 3,16, а) могут быть различны (от 20 до 100 км2) в зависимости от мощности станции.

Энергия от солнечных элементов космической станции должна передаваться на Землю с помощью антенны в виде достаточно узкого пучка УКВ-волн (длина волны «10 см). Приемная антенна на Земле будет принимать этот пучок энергии, который затем должен будет преобразовываться в энергию промышленной частоты.

Ожидается, что весь процесс будет характеризоваться достаточно высоким КПД. В настоящее время КПД преобразования энергии солнечными элементами на монокристаллах составляет 11%. Предполагается, что путем усовершенствования кремниевых элементов может быть достигнут КПД, равный 20%.

Расчетные значения КПД преобразования энергии на космических станциях приведены в табл. 3.3

Космические солнечные станции могут быть спроектированы на полезную электрическую мощность 3^-20 ГВт и более. Размер солнечной батареи станции с полезной выходной мощностью 5 ГВт можно оценить исходя из КПД, равного 15%. Соответствующая такой станции суммарная поверхность солнечной батареи равна 20 км2. При этом передающая антенна должна иметь диаметр 1 км, приемная антенна -- диаметр 7--10 км. Плотность пучка УКВ-волн со станции на Землю в этом случае составит всего 'Д нормальной плотности солнечной энергии, поэтому он не должен представлять опасности ни для летательных средств, ни для птиц. Вопрос, связанный с радиопомехами, не должен стать серьезной проблемой. Технические проблемы состоят только в улучшении достигнутой технологии и совсем не требуют разработки принципиально новых решений.

Большое внимание уделяется перспективе использования солнечной энергии в промежуточном процессе получения топлива. Так, энергия крупных солнечных станций может быть использована для синтеза топлива на основе углеводорода, например метанола из известняка и воды.

Наличие благоприятных условий во многих странах позволяет использовать для практических целей солнечную энергию. В направлении применения солнечной энергии уже выполнен ряд работ и доказана возможность ее использования для опреснения и дистилляции воды, приготовления пищи, нагревания воды, привода насосов и других целей. В целом несомненно, что человечество в будущем обратится к Солнцу -- главному источнику энергии, которую и будет применять различными путями.

Один из путей использования энергии Солнца заключается в реализации проектов улавливания и накопления энергии фотосинтеза. Трудность реализации таких проектов заключается в низкой эффективности фотосинтеза как способа превращения солнечной энергии в химическую.

Считается, что благодаря фотосинтезу ежегодно образуется около 155 млрд. т сухой органической массы, главным образом целлюлозы, которую можно использовать как топливо. Однако из-за низкого КПД энергетического преобразования пришлось бы значительно увеличить посевные площади для получения энергии в необходимых количествах. Поэтому проводятся интенсивные исследования, направленные на увеличение КПД преобразования. При этом пытаются получить дешевую полезную массу растений, по возможности создавая оптимальный искусственный газовый состав и т. п. Так, по данным, полученным в США, если выращивать кукурузу как энергетическое топливо, то его стоимость будет сравнима с нынешней стоимостью ископаемого топлива; если использовать для этой цели хвойный лес, в котором бы на акр (1 акр=0,4 га) приходилось около 6 тыс. деревьев, и собирать урожай один раз в 12 лет, то вследствие замедленного роста деревьев и некоторых других факторов стоимость производимой из них энергии возрастет примерно вдвое по сравнению с энергией, получаемой от кукурузы. Многолетние растения имеют, однако, преимущество перед однолетними: урожай с них можно собирать в течение всего года в соответствии с потребностями, и при этом не возникает проблем, связанных с созданием огромных хранилищ «энергетических урожаев», которые заготавливают только в определенный сезон. Поэтому для производства энергии* обратились к быстро растущим лиственным деревьям, у которых после порубки корни дают побеги, что позволяет избежать ежегодных посадок.

На экспериментальных участках заброшенных пахотных земель в Центральной Пенсильвании выращиваются гибридные тополя. Один из гибридов, высаженный в количестве примерно 3700 деревьев на акр, «производит» энергию, которая оказывается заметно дешевле нефти и несколько дешевле угля. Такая плантация может давать около 681 млн. Вт/(м2-К) (120 млн. Btu) с акра в год при КПД энергетического преобразования 0,6%. Для обеспечения топливом средней электростанции мощностью 400 МВт потребуется плантация площадью 30 тыс. акров. Для снабжения топливом, получаемым на «энергетических плантациях», большей части электростанций в США требуется примерно 160--200 млн. акров даже при коэффициенте преобразования солнечной энергии в топливо, не превышающем 0,4%.

1.13 Использование морских возобновляемых ресурсов

Ресурсы морей и океанов можно разбить на три группы:

вертикальные термоградиенты и океанические ветры;

морская биомасса и геотермальные воды;

поверхностные волны, течения и перепады солености.

Предполагают, что использование ресурсов первой группы может начаться в конце 80-х годов, второй -- в 90-х, а третьей не ранее 2000-го года.

Мощности и стоимости различных потенциальных источников энергии приведены в табл.

Приведенные показатели свидетельствуют о большой стоимости «энергии будущего». В самом деле, если считать, что электроэнергия, полученная на основе нефти, угля или урана, стоит в среднем 3--б центов за 1 кВт-ч, то энергия вертикальных термоградиентов и океанских ветров будет в 1,5--2 раза дороже. Остальные виды энергии будут дороже в 4--6 раз.

Из указанных возможных энергий океана пока наиболее ясно использование вертикальных термоградиентов. На рис. 3.15 показана работа так называемой «закрытой» системы. Насос обеспечивает циркуляцию аммиака, имеющего очень низкую температуру кипения, в замкнутом контуре. Теплая океаническая вода нагревает аммиак (верхняя часть схемы), который переходит в газообразное состояние и в этом виде поступает на турбину, где он расширяется и приводит в действие генератор. С турбины аммиак выходит с пониженной температурой и при меньшем давлении и пропускается через теплообменник, использующий холодную воду; газ сжижается, и цикл повторяется. В «открытой» системе в ^качестве рабочего тела используется морская вода; ее температура кипения снижается в вакуумной камере, где поддерживается давление на уровне 3,5% от нормального атмосферного.

Рассматривая возможные способы преобразования энергии, необходимо учитывать, что в соответствии с законами физики все энергетические процессы сводятся к трансформации одного вида энергии в другой. Здесь важно то обстоятельство, что плотности потоков энергии ограничиваются физическими свойствами среды. Это, в свою очередь, практически исключает применение в энергетике больших мощностей многих казалось бы эффективных процессов трансформации энергии. Например, в топливных элементах химическая энергия окисления водорода непосредственно превращается в электрическую. Такой способ получения электрической энергии, несмотря на очень высокий КПД, равный примерно 70%, на сегодня приходится признать непригодным для промышленности из-за малой скорости диффузионных процессов в электролите и, следовательно, малой плотности энергии. Так, с 1 м* электрода можно получить не более 200 Вт мощности. А это означает, что при генерировании 100 МВт мощности рабочая площадь электродов должна быть примерно 1 км2, что, конечно, практически нереализуемо. Из-за малой плотности потока энергии неперспективным представляется применение в энергетике и прямого преобразования химической энергии в механическую. Такое преобразование происходит с высоким КПД в мускулах животных. Механизм его достаточно глубоко пока не изучен. Но даже если предположить, что такое преобразование энергии будет воспроизведено искусственно, то оно, видимо, не сможет найти применение в энергетике из-за малой плотности потока энергии, которая не может быть больше, чем у топливных элементов:

2. Тепловые электрические станции и их технологическая схема. Термодинамический цикл паротурбинных электростанций

2.1 Способы производства электрической и тепловой энергии

Наиболее распространенным типом тепловых электростанций являются паротурбинные электростанции. На современных тепловых электростанциях превращение тепла в работу осуществляется большей частью в циклах, в которых основным рабочим теплом является водяной пар высоких давлений и температур. Водяной пар получают с помощью парогенераторов, в топках которых сжигают разные виды топлива. Тепловая энергия преобразуется в механическую работу в паротурбинных установках по термодинамическому циклу, предложенному в середине XIX в. шотландским инженером и физиком У. Рен-киным, а также немецким физиком Р. Клаузиусом. К основным термодинамическим процессам относятся изобарный -- при постоянном давлении, изохорный -- при постоянном объеме, изотермический -- при постоянной температуре, адиабатный -- при постоянной энтропии.

Принципиальная тепловая схема электростанции, работа которой основана на цикле Ренкина, показана на рис. 1.2, а. На рис. 1.3 цикл Ренкина изображен на Т-5-диаграмме, где по оси ординат отложена температура Т, а по оси абсцисс--удельная энтропия S, ДжУ(кг-К). С помощью питательного насоса ПН (рис. 1.2, а) вода сжимается и подается в парогенератор ПГ, в котором вода подогревается и превращается в водяной пар. В пароперегревателе ЯД пар подвергается перегреву. Перегретый пар, поступая затем в паровую турбину ПТ, приводит в движение вращающуюся часть --ротор, соединенный с ротором генератора электрической энергии Г. Из паровой турбины пар выходит конденсация пара. Конденсат пара поступает в питательный насос ПН.

Конденсация пара происходит по изобаре р2--const (линия 23 на рис. 1.3). Сжатие воды питательным насосом от давления р2 до давления рг является адиабатным процессом, изображенным весьма малым отрезком 35, что свидетельствует о малой работе, которая затрачивается насосом для сжатия воды., К воде в парогенераторе при изобарном процессе p^const подводится тепло: сначала вода нагревается до кипения (участок 54), затем происходит парообразование (участок 46) и перегрев водяного пара (участок 61) изобары p1 = const. Перегретый пар поступает в турбину, в которой происходит адиабатический процесс расширения пара (адиабата 12). Отработанный пар направляется в конденсатор, и цикл замыкается. Количество тепла, подведенного к рабочему телу в цикле (qj), соответствует площади а.354 612ва на Г-5-диаграмме. Тепло, отведенное в цикле (92). изображено площадью а32ва. Работа цикла эквивалентна площади 3546 123.