Тепловые и атомные электростанции, гидростанции. Котельные. Паротурбинные

  конденсационные электростанции и теплоэлектроцентрали с комбинированной

  выработкой тепла и электрической энергии

Тепловая электростанция включает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в механическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию. К тепловым электрическим станциям относят также атомные станции.

Атомные электростанции представляют собой сложные электрические установки. На них используется тепловая энергия распада атомного ядра изотопа урана или тория. Чтобы получать тепловую энергию распада атомного ядра длительно, а не в виде взрыва, и управлять ею, применяют специальные атомные котлы, называемые реакторами, со специальными замедлителями. Пар вырабатывается непосредственно в реакторе и поступает в паровую турбину. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и конденсат подается насосом в реактор. Схема проста, экономична. Однако пар (рабочее тело) на выходе из реактора становится радиоактивным, что затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.

Атомная энергия в Беларуси . В настоящее время атомная энергия возвращается на повестку дня во многих странах мира, когда речь заходит о политике в области энергетики.

Беларусь осталась практически единственной в центре Европы страной, которая не имеет атомной электростанции. Вместе с тем, атомная энергетика в настоящее время активно развивается во многих странах, поскольку пока не имеет альтернативы.

Возможность строительства в Беларуси АЭС заложена в Концепции энергетической безопасности и повышения энергетической независимости Беларуси на 2006-2010 гг., которая в августе 2005 г. утверждена президентским указом.

Сторонники строительства АЭС в Беларуси считают, что вовлечение в энергобаланс ядерного топлива позволит повысить экономическую и энергетическую безопасность Беларуси. Почти 99% импортируемых энергоресурсов Беларусь закупает в одной стране – России. Это даст возможность в первую очередь заместить значительную часть импортируемых органических энергоресурсов (4,1-4,2 млн. т условного топлива). Ввод в действие в перспективе атомной энергетической станции в Беларуси позволит ежегодно экономить до 4 млрд. куб. м газа.

Кроме того, ядерное топливо дешевле органического в несколько раз и может быть закуплено не только в России, но и в других странах.

Далее, есть возможность закупать ядерное топливо на 5-10 и более лет вперед с частичной перегрузкой топлива каждые 1,5-2 года. Наконец, это приведет к снижению себестоимости производимой электроэнергии по сравнению с другими вариантами за счет уменьшения затрат на топливо, несмотря на более высокие капитальные затраты.

По оценкам, оптимальным вариантом развития атомной энергетики в Беларуси является ввод в 2015-2020 гг. атомных энергоблоков суммарной электрической мощностью 2.000 МВт, что приведет к снижению себестоимости производимой энергосистемой электроэнергии на 20 процентных пунктов.

Ввод в Беларуси первого блока АЭС с 2015 г. позволит стране снизить долю импортируемого природного газа в общем объеме потребления топливно-энергетических ресурсов с 78,4% в 2005 г. до 53% к 2020 г.

В целом же, как ожидается, собственная АЭС позволит Беларуси экономить на закупках топлива 300-400 млн. USD в год.

Ученые Национальной академии наук страны уже подготовили технико-экономическое обоснование строительства АЭС. Согласно проекту, мощность АЭС, которая может быть построена в Беларуси, составит порядка 2 млн. кВт (это два блока по 1 тыс. МВт или 3-4 блока по 640 МВт). АЭС такой мощности сможет обеспечить 27% потребности страны в электроэнергии.

Стоимость строительства белорусской АЭС (если будут использованы российские технологии) составит порядка 2,5-3 млрд. USD. По предварительным оценкам, на строительство АЭС потребуется 7-8 лет.

В качестве наиболее предпочтительного места для строительства АЭС рассматривается Краснополянская площадка (Быховский пункт, Могилевская область). В качестве резервной площадки может быть рассмотрена Кукшиновская площадка (Шкловско-Горецкий пункт, Могилевская область).

Окончательное решение о возможности строительства в Беларуси АЭС может быть принято после 2008 г., когда завершится мораторий на рассмотрение этого вопроса.

В настоящее время в Национальной академии наук Беларуси формируется научная база для реализации проекта строительства АЭС. Для этого выполняется ряд программ: Государственная научно-техническая программа "Ядерно-физические технологии для народного хозяйства Беларуси" на 2006-2010 годы, Государственная комплексная целевая научно-техническая программа "Энергетика" на 2006-2010 годы, научное сопровождение которой осуществляется в рамках программ "Энергетика-2010", "Ресурсосбережение-2010", "Энергобезопасность", "Тепловые процессы", "Водород". Также ученые и специалисты знакомятся с опытом государств, лидирующих в развитии атомной энергетики, что заложено в нормах МАГАТЭ для стран, намеренных строить собственную АЭС.

В 2007 году Беларусь должна завершить теоретические изыскания и выбрать стратегического партнера для реализации проекта, начать переговоры с поставщиком технологий и оборудования. А к моменту ввода АЭС в эксплуатацию необходимо проработать весь спектр вопросов, связанных с АЭС - от подготовки специалистов до утилизации отработанного ядерного топлива.

Наиболее вероятными партнерами являются Россия и Франция. Из интервью с председателем Президиума НАН Владимиром Тимошпольским: "Сегодня практически нет выбора - на рынке атомной энергетики свои услуги помимо этих государств предоставляют лишь Германия, Япония и США". Россия особенно активно работает в данном направлении: ее специалисты задействованы в строительстве АЭС в Индии, Китае, Болгарии, Казахстане, а французская компания Areva является монополистом на рынке Западной Европы. Что касается стоимости предлагаемых разными странами проектов АЭС и технологий, то они держатся практически на одном уровне, сказал Владимир Тимошпольский. «Тепло- и электроэнергетика - дорогие удовольствия, но без них государство становится беспомощным и не имеет будущего. Исходя из этого, нам нужно построить свою экономику и энергетику так, чтобы они имели минимальную зависимость от внешних поставщиков энергоресурсов», - резюмировал заместитель председателя Президиума НАН.

Первый блок предполагается ввести в эксплуатацию в 2013-2014 годах, второй - к 2015 году. Их суммарная мощность составит 1 тыс. МВт. До 2025 года намечено построить еще два блока. Об этом в интервью корреспонденту БЕЛТА сообщил заместитель председателя Президиума Национальной академии наук Беларуси Владимир Тимошпольский.

16 февраля 2007 премьер-министр Беларуси Сергей Сидорский на встрече с председателем правления Евразийского банка развития Игорем Финогеновым сообщил, что Беларусь предполагает сократить срок строительства АЭС до 4 лет. Ранее проект по строительству атомного источника предполагалось осуществить за 9 лет.

Мини-ТЭЦ . Целесообразность использования мини-ТЭЦ в РБ определяется более высоким, чем при раздельном производстве тепловой и электрической энергии, коэффициентом использования энергии топлива. Современный уровень развития энергетического машиностроения в нашей стране позволяет полезно использовать более 90 % энергии топлива в тепловой схеме мини- ТЭЦ.

Мини-ТЭЦ – это электростанция с комбинированным производством электроэнергии и утилизации тепла.

В качестве источника энергии для мини-ТЭЦ, или газового генератора, используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС): дизельные, газовые и газотурбинные. Энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, переходит в энергию электричества и энергию тепла. Кроме двигателя, в состав мини-ТЭЦ входят: генератор постоянного или переменного тока, котлы-утилизаторы отработавших газов, радиаторы, теплообменники, катализаторы, системы управления.

Кроме того, для работы мини-ТЭЦ требуются устройства связи с системой топливоподачи, теплотехническими и электрическими системами конечного пользователя и, при необходимости, с внешней электрической сетью. Средства автоматики мини-ТЭЦ обеспечивают надежную работу установки в рекомендованном диапазоне рабочих режимов и достижение наиболее эффективных характеристик. Работа мини-ТЭЦ может осуществляться и поддерживаться дистанционно, что также является достаточно перспективно для создания станции на территории нашей республики.

Наибольшей эффективностью, надежностью и универсальностью отличаются установки на основе газовых (газопоршневых) двигателей. Это вызвано, прежде всего, современными требованиями к экологической чистоте окружающей среды, а также к снижению эксплуатационных расходов на органическое топливо и доступностью его использования. Газовые двигатели используются для работы в составе генераторных установок, предназначенных для постоянной и периодической работы (снятие пиковых нагрузок) с комбинированной выработкой электроэнергии и тепла (когенерация). Кроме того, они могут использоваться для обеспечения работы абсорбционных холодильных установок (тригенерация) в системах кондиционирования. В газовых двигателях могут использоваться такие виды газов как: природный газ, пропан, факельный газ, биогаз, газ мусорных свалок, коксовый газ, попутный газ, пиролизный газ, древесный газ.

Тепловая энергия, выработанная на мини-ТЭЦ, может передаваться на расстояние до нескольких километров, поэтому более целесообразно строить мини-ТЭЦ вблизи небольших населенных пунктах в пределах РБ.

При невысоких капитальных и эксплуатационных затратах эти электростанции обеспечивают максимальную эффективность инвестиций за счет производства электроэнергии и тепла по весьма конкурентным ценам.

Типовые расчеты экономической эффективности установки и эксплуатации Мини-ТЭЦ показали целесообразность создания и использования мини-ТЭЦ на территории нашей страны, в особенности в небольших районных пунктах и городах с малой плотностью населения, так как современная мини-ТЭЦ – электростанция с комбинированным производством электроэнергии и тепла, расположенная в непосредственной близости от конечного потребителя.

Из основных достоинств создания мини-ТЭЦ на территории РБ можно выделить следующие достоинства:

-низкая стоимость вырабатываемой электроэнергии, тепла и холода;

-широкий выбор технологических схем;

-возможность быстрого возведения;

-быстрая окупаемость;

-низкий расход топлива;

-большой ресурс оборудования;

-экологическая безопасность.

Что касается экономической эффективности использования моно назвать следующие моменты:

-быстрый возврат инвестированного капитала;

-максимально возможные прибыли от инвестиций;

-отсутствие платы за подключение;

-минимум тепловых потерь и утечек при передаче горячей воды;

-возможность установки в помещениях действующих котельных;

-отсутствие необходимости строительства ЛЭП, ТЭП, протяженной кабельной сети.

С точки зрения экологии мини-ТЭЦ не представляют собой сильный загрязнитель, так как комбинированное производство энергии двух видов способствуют гораздо более экологичному использованию топлива по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии и тепловой энергии на котельных установках. Замена котельных, нерационально использующих топливо и загрязняющих атмосферу городов и посёлков, на мини-ТЭЦ способствует не только значительной экономии топлива, но и повышению чистоты воздушного бассейна, улучшению общего экологического состояния, что является немаловажным для строительства станции на территории РБ.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоёмов преобразуется в электрическую энергию.

Гидроэлектростанции имеют ряд существенных преимуществ: легко поддаются автоматизации, обладают быстрым запуском, малыми эксплуатационными расходами, а значит, и низкой себестоимостью производимой электроэнергии. Недостатками ГЭС являются значительные капитальные вложения, вызванные большими объемами земляных и строительных работ, устройством водохранилищ, плотин, отводных каналов и другие.

Котельная установка представляет собой комплекс устройств для получения водяного пара под давлением или горячей воды. Она состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования, газо- и воздухопроводов, трубопроводов пара и воды с арматурой, тягодутьевых устройств и др. Районные или производственные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства или самого предприятия.

Газотурбинная установка – это двигатель, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию и затем частично превращается в механическую работу, которая преобразуется в электрическую энергию.

Парогазовая установка – это турбинная теплосиловая установка, в тепловом цикле которой используются два рабочих тела – водяной пар и дымовые газы, поступающие из котлоагрегата.

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) – это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и тепло, отпускаемое потребителям в виде пара и горячей воды для коммунально-бытового потребления. 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%.

 

 

Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую. Прямое преобразование

солнечной энергии в электрическую

Почти все источники энергии так или иначе используют энергию Солнца: уголь, нефть, природный газ суть не что иное, как «законсервированная» солнечная энергия. Она заключена в этом топливе с незапамятных времен; под действием солнечного тепла и света на Земле росли растения, накапливали в себе энергию, а потом в результате длительных процессов превратились в употребляемое сегодня топливо. Энергия рек и горных водопадов также происходит от Солнца, которое поддерживает кругооборот воды на Земле.

Во всех приведенных примерах солнечная энергия используется косвенно, через многие промежуточные превращения. Хорошо было бы исключить эти превращения и найти способ непосредственно преобразовывать тепловое и световое излучение Солнца, падающее на Землю, в механическую или электрическую энергию.

Согласно легенде Архимед, находясь на берегу, уничтожил неприятельский римский флот под Сиракузами. При помощи зажигательных зеркал. Известно, что подобные зеркала делались также в VI веке. А в середине XVIII столетия французский естествоиспытатель Ж. Бюффон производил опыты с большим вогнутым зеркалом, состоящим из множества маленьких плоских. Они были подвижными и фокусировали в одну точку отраженные солнечные лучи. Этот аппарат был способен в ясный летний день с расстояния 68 м довольно быстро воспламенить пропитанное смолой дерево. В Англии же отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, с его помощью удавалось расплавлять чугун за три секунды и гранит – за минуту.

В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор – в сущности первое устройство, превращавшее солнечную энергию в механическую. Но принцип был тем же: большое вогнутое зеркало фокусировало солнечные лучи на паровом котле, который приводил в движение печатную машину, делавшую по 500 оттисков газеты в час.

Сегодня для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию мы располагаем двумя возможностями: использовать солнечную энергию как источник тепла для выработки электроэнергии традиционными способами (например, с помощью турбогенераторов) или же непосредственно преобразовывать солнечную энергию в электрический ток в солнечных элементах.

Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой площади (иными словами, имеет низкую плотность), любая установка для прямого использования солнечной энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной поверхностью.

Простейшее устройство такого рода – плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная снизу. Она прикрыта стеклом или пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между плитой и стеклом чаще всего размещают черные трубки, через которые текут вода, масло, ртуть, воздух, сернистый ангидрид и т. п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными трубками и плитой и нагревает рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем значительно выше (па 200–500°С), чем температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект. Обычные садовые парники, по сути дела, представляют собой простые коллекторы солнечного излучения. Но чем дальше от тропиков, тем менее эффективен горизонтальный коллектор, а поворачивать его вслед за Солнцем слишком трудно и дорого. Поэтому такие коллекторы, как правило, устанавливают под определенным оптимальным углом к югу.

Более сложным и дорогостоящим коллектором является вогнутое зеркало, которое сосредоточивает падающее излучение в малом объеме около определенной геометрической точки – фокуса. Отражающая поверхность зеркала выполнена из металлизированной пластмассы либо составлена из многих малых плоских зеркал, прикрепленных к большому параболическому основанию. Благодаря специальным механизмам коллекторы такого типа постоянно повернуты к Солнцу–это позволяет собирать возможно большее количество солнечного излучения. Температура в рабочем пространстве зеркальных коллекторов достигает 3000°С и выше.

В начале 80-х годов на острове Сицилия дала ток солнечная электростанция мощностью 1 МВт. Принцип ее работы следующий: зеркала фокусируют солнечные лучи на приемнике, расположенном на 50-метровой высоте. Там вырабатывается пар с температурой более 600 °С, который приводит в действие традиционную турбину с подключенным к ней генератором тока. Неоспоримо доказано, что на таком принципе могут работать электростанции мощностью 10–20 МВт, а также и гораздо больше, если группировать подобные модули, подсоединяя их друг к другу.

Несколько иного типа электростанция в Алькерии на юге Испании. Ее отличие в том, что сфокусированное на вершину башни солнечное тепло приводит в движение натриевый круговорот, а тот уже нагревает воду до образования пара. У такого варианта ряд преимуществ. Натриевый аккумулятор тепла обеспечивает не только непрерывную работу электростанции, но дает возможность частично накапливать избыточную энергию для работы в пасмурную погоду и ночью. Мощность испанской станции имеет всего 0,5 МВт. Но на ее принципе могут быть созданы куда более крупные – до 300 МВт. В установках этого типа концентрация солнечной анергии настолько высока, что КПД паротурбинного процесса здесь ничуть не хуже, чем на традиционных тепловых электростанциях.

В целом преобразователи солнечной энергии в тепловую делятся на две группы: высокотемпературные и низкотемпературные.

В преобразователях первого типа солнечные лучи концентрируются на небольшом участке, температура которого поднимется до 3000⁰С. Такие установки уже существуют. Они используются, например, для плавки металлов.

Самая многочисленная часть солнечных преобразователей работает при гораздо меньших температурах – порядка 100-200⁰С. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев.

По мнению специалистов, наиболее привлекательной идеей относительно преобразования солнечной энергии является использование фотоэлектрического эффекта в полупроводниках.

Для примера, электростанция на солнечных батареях вблизи экватора с суточной выработкой 500 МВт•ч (примерно столько энергии вырабатывает довольно крупная ГЭС) при к.п.д. 10% потребовала бы эффективной поверхности около 500000 м². Ясно, что такое огромное количество солнечных полупроводниковых элементов может окупиться только тогда, когда их производство будет действительно дешево. Эффективность солнечных электростанций в других зонах Земли была бы мала из-за неустойчивых атмосферных условий, относительно слабой интенсивности солнечной радиации, которую здесь даже в солнечные дни сильнее поглощает атмосфера, а также колебаний, обусловленных чередованием дня и ночи.

Тем не менее, солнечные фотоэлементы уже сегодня находят свое специфическое применение. Они оказались практически незаменимыми источниками электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях, а на Земле – в первую очередь для питания телефонных сетей в не электрифицированных районах или же для малых потребителей тока (радиоаппаратура, электрические бритвы и т.п.). Полупроводниковые солнечные батареи впервые были установлены на третьем советском искусственном спутнике Земли (запущенном на орбиту 15 мая 1958 г.).

Однако сегодня эти сооружения все еще относятся к наиболее сложным и самым дорогостоящим техническим методам использования гелиоэнергии.

Ярким примером использования солнечной энергии является «солнечный дом». «Солнечный дом» – это коттедж, большая часть потребностей которого обеспечивается энергией солнечного излучения, за счет чего затраты других снижаются на 40-60% (в зависимости от конструкции здания и его местоположения). Активная система энергосбережения «солнечного дома» – это солнечные коллекторы и панели фото элементов (солнечные батареи), регулировочная автоматика, компьютер, управляющий тепловым, электрическим режимами, и другая высокоэффективная техника для максимального усвоения солнечной энергии.