теплоэнергетика

3.3. Атомная энергетика

Россия обладает технологией ядерной электроэнергетики полного цикла от добычи урановых руд до выработки электроэнергии. Атомная энергетика в качестве первичного источника использует энергию деления атомов тяжелых элементов, прежде всего урана.

На сегодняшний день в нашей стране эксплуатируются 10 атомных электростанций (АЭС) – всего 33 энергоблока установленной мощностью 25,2 ГВт, которые вырабатывают около 16% всего производимого электричества. В стадии строительства – еще 5 АЭС.

Широкое развитие атомная энергетика получила в европейской части России (30%) и на Северо-Западе (37% от общего объема выработки электроэнергии на АЭС).

Вцелом за 2012 г. атомными электростанциями выработано рекордное за всю историю отрасли количество электроэнергии – 177,3 млрд кВт·ч.

Вдекабре 2007 г. в соответствии с Указом Президента РФ была образована Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» (сокращенное название – Госкорпорация «Росатом»), которая управляет всеми ядерными активами Российской Федерации, включая как гражданскую часть атомной отрасли, так и ядерный оружейный комплекс.

Оператор российских АЭС – ОАО «Концерн «Росэнергоатом» (входит в состав подконтрольного Госкорпорации «Росатом» ОАО «Атомэнергопром») – является второй в Европе энергетической компанией по объему атомной генерации. Госкорпорация «Росатом» обеспечивает проведение государственной политики

иединство управления в использовании атомной энергии, стабильное функционирование атомного энергопромышленного и ядерного оружейного комплексов, ядерную и радиационную безопасность. На нее возложены также задачи по выполнению международных обязательств России в области мирного использования атомной энергии и режима нераспространения ядерных материалов.

АЭС России вносят заметный вклад в борьбу с глобальным потеплением. Благодаря их работе ежегодно предотвращается выброс в атмосферу 210 млн т углекислого газа.

Приоритетом эксплуатации АЭС является её безопасность. С 2004 г. на российских АЭС не зафиксировано ни одного серьез-

41

ного нарушения безопасности, классифицируемого по международной шкале ИНЕС выше нулевого (минимального) уровня.

Важной задачей в сфере эксплуатации российских АЭС является повышение коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) уже работающих станций. Планируется, что в результате выполнения программы повышения КИУМ ОАО «Концерн “Росэнергоатом”, рассчитанной до 2015 г., будет получен эффект, равноценный вводу в эксплуатацию четырех новых атомных энергоблоков (эквивалент 4,5 ГВт установленной мощности).

3.4. Геотермальная энергетика

Геотермальная энергетика использует природный теплоноситель – горячую воду и пар, поступающий из недр Земли.

Одним из перспективных направлений развития электроэнергетики в России является геотермальная энергетика. В настоящее время в России разведано 56 месторождений термальных вод с потенциалом, превышающим 300 тыс. м3/сутки. На многих месторождениях ведется промышленная эксплуатация теплоиспользующих установок, на которых вырабатывается тепловая и электрическая энергия. Источники геотермальной энергии расположены на Камчатке, Курильских островах, в КарачаевоЧеркессии и Ставропольском крае.

Основные мощности Российской геотермальной энергетики расположены на территории Камчатки и Курил. Суммарный электроэнергетический потенциал геотермальной энергии оценивается в 1 ГВт электрической мощности. В настоящее время реализовано примерно 80 МВт установленной мощности, при годовой выработке около 450 млн кВт·ч:

Мутновское месторождение:

-Верхне-Мутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт и выработкой 52,9 млн кВт·ч/год;

-Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт и выработкой 360,7 млн кВт·ч/год.

Паужетское месторождение возле вулканов Кошелева и Камбального:

-Паужетская ГеоЭС с выработкой 59,5 млн кВт·ч/ год.

Итурупское месторождение возле вулкана Баранского:

Океанская ГеоЭС мощностью 3,6 МВт.

42

3.5. Ветровая энергетика

Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175 – 219 тыс. ТВт·ч в год, при этом развиваемая им мощность достигает(20 – 25)·106 МВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только 5 % этой энергии. В настоящее же время эта цифра значительно меньше.

На Земле существуют постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного полушарий, которые образуют систему пассатов. Помимо постоянных движений воздушных слоев существуют периодические движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток (бризы) и года (муссоны). Происхождение бризов и муссонов обусловлено различными температурами нагрева воды в морях и поверхности суши вследствие их различной теплоемкости.

Неустойчивость ветра приводит к необходимости применения средств аккумуляции энергии. Это удорожает установку, и в целом стоимость получаемой энергии оказывается больше, чем на гидростанциях и на многих тепловых электростанциях.

Использование энергии ветра осуществляется с помощью специальных установок.

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) – это комплекс техни-

ческих устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в электроэнергию. Ветроэнергетическая установка состоит: из ветроагрегата; устройства, аккумулирующего энергию; систем автоматического управления и регулирования режимов работы установки.

Ветродвигателем называют двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. Различают ветродвигатели крыльчатые (наиболее распространенные) с коэффициентом использования энергии ветра до 0,48, карусельные (роторные) с коэффициентом использования не более 0,15 и барабанные.

В настоящее время ветроэнергетика – одна из самых бурно развивающихся отраслей мировой электроэнергетики. В 1970 - 1980-е гг. большинство эксплуатируемых в Европе ВЭУ имело мощность до 50 кВт, затем – от 100 до 250 кВт; средняя мощность ВЭУ, выпущенных в 2009 г. в Германии, составила 1 500 кВт. Тенденция роста единичных мощностей ВЭУ, повидимому, сохранится и далее. Планируется создание ветроагрегатов мощностью 3...5 МВт.

43

Технический потенциал ветровой энергии России оценивается в размере свыше 40 млрд кВт·ч электроэнергии в год. Развитие ветровой энергетики в России рассматривается в рамках правительственной программы использования возобновляемых источников энергии и является одним из важных направлений развития российской электроэнергетики. Особой концентрацией ветропотенциала отличаются побережья Тихого и Северного ледовитого океанов, предгорные и горные районы Кавказа, Урала, Алтая, Саян.

Установленная мощность ветряных электростанций в стране в настоящее время составляет около 16,5 МВт, суммарная выработка не превышает 25 млн кВт·ч/год.

3.6. Солнечная энергетика

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен 1,2·1014 т условного топлива в год. Солнце, как и другие звезды, является небесным телом, состоящим из высокотемпературной плазмы. В его составе 82% водорода, 17% гелия, остальные элементы составляют около 1%. Огромная энергия образуется на Солнце за счет синтеза легких элементов: водорода и гелия.

Одна из проблем использования солнечной энергии заключается в том, что наибольшее количество ее поступает летом, а наибольшее потребление энергии происходит зимой.

Солнечное излучение (СИ) на поверхность Земли зависит от многих факторов: широты и долготы местности, ее географических и климатических особенностей, состояния атмосферы, высоты Солнца над горизонтом, размещения приемника СИ на Земле по отношению к Солнцу и т.д.

Солнечная энергия на Земле используется с помощью солнечных энергетических установок, которые можно классифицировать по следующим признакам:

-виду преобразования солнечной энергии в другие виды энергии – теплоту или электричество;

-концентрированию энергии – с концентраторами и без концентраторов;

-технической сложности – простые (нагреватели воды, сушилки, нагревательные печи, опреснители и т.п.) и сложные.

44

Первый вид установок базируется в основном на системе преобразования солнечного излучения в теплоту, которая чаще всего используется в обычных схемах тепловых электростанций. К ним относятся: башенные солнечные электростанции, солнечные пруды, солнечные энергетические установки с параболоцилиндрическими концентраторами.

Второй вид базируется на прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию с помощью солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ).

Солнечные к о л л е к т о р ы (СК) – это технические устройства, предназначенные для прямого преобразования СИ в тепловую энергию в системах теплоснабжения для нагрева воздуха, воды или других жидкостей. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы теплоснабжения, которые для сбора и распределения солнечной энергии используют специальным образом сконструированные архитектурные или строительные элементы зданий и сооружений и не требуют дополнительного специального оборудования.

Солнечные ф о т о э л е к т р и ч е с к и е у с т а н о в к и в настоящее время находят все более широкое распространение и применение как источники для больших солнечных электростанций, работающих в энергосистемах параллельно с традиционными ТЭС, ГЭС и АЭС. Конструктивно СФЭУ обычно состоят из солнечных батарей в виде плоских прямоугольных поверхностей, работа которых состоит в преобразовании энергии СИ в электрическую энергию. Электрический ток в фотоэлектрическом генераторе возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементах при попадании на них СИ. Наиболее эффективны фотоэлектрические генераторы, основанные на возбуждении электродвижущей силы (ЭДС) на границе между проводником и светочувствительным полупроводником (например, кремний) или между разнородными проводниками.

Фотоэнергетика сделала очень большие шаги в решении двух основных проблем: повышении КПД СФЭУ и снижении стоимости их производства.

В промышленном производстве находятся СФЭУ со следующими КПД:

-15 – 16 % (до 24% на опытных образцах) - при использовании монокристаллического кремния;

-12 – 13 % (до 16% на опытных образцах) - при использовании поликристаллического кремния.

45

Все эти данные соответствуют так называемым однослойным фотоэлементам. Сегодня уже исследуются двух- и трехслойные фотоэлементы, которые позволяют использовать большую часть солнечного спектра по длине волны солнечного излучения. Для двухслойного фотоэлемента на опытных образцах получен КПД 30%, а для трехслойного – 35...40%.

Контрольные вопросы

1.По каким признакам классифицируются тепловые электростанции (ТЭС) на органическом топливе?

2.Назовите долю производства тепловой генерации в общем объеме производства электроэнергии в стране.

3.Перечислите основные возобновляемые и невозобновляемые энергетические ресурсы.

4.Какую ежегодную экономию условного топлива на тепловых электрических станциях обеспечивает выработка электроэнергии российскими ГЭС?

5.В каком регионе России расположены основные мощности Российской геотермальной энергетики?

6.Назовите количество АЭС и атомных энергоблоков на них, действующих на сегодняшний день в России.

7.По каким признакам классифицируются солнечные энергетические установки?

8.На каком физическом эффекте основана работа солнечных фотоэлектрических установок?

46

Раздел 4. Техническая термодинамика

4.1. История развития науки о теплоте

В развитии теплотехники выдающаяся роль принадлежит русским ученым, инженерам и новаторам. Действительно, научные представления в области теории теплоты впервые были созданы в середине XVIII в. гениальным русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым. М.В. Ломоносов отверг господствовавшую ранее лженаучную, метафизическую теорию «теплорода», заложив своими теоретическими трудами и экспериментальными работами основы современной молекулярнокинетической теории вещества и механической теории теплоты, установил взаимосвязь между количеством теплоты и получаемой механической энергией как проявление всеобщего закона сохранения и превращения энергии.

Однако на Западе не называется имя Ломоносова при упоминании основоположников закона сохранения энергии. В технической литературе много говорят о Майере, Джоуле и других, забывая при этом, что Ломоносов почти за 100 лет до них показал основную сущность этого закона. На Западе считается, что открытие закона сохранения материи принадлежит Лавуазье, который высказал его в 1785 г., хотя известно, что этот закон был сформулирован Ломоносовым и впервые высказан в письме к Эйлеру в конце первой половины XVIII в., т.е. за несколько десятков лет до Лавуазье. Вот как лаконично и точно писал Ломоносов: «Все изменения, совершавшиеся в природе, происходят таким образом, что сколько к чему прибавилось, столько же отнимается от другого. Так, сколько к одному телу прибавится вещества, столько же отнимается от другого... Этот закон природы является настолько всеобщим, что простирается и на правила движения: тело, побуждающее толчком к движению другое, столько же теряет своего движения, сколько отдает от себя этого движения другому телу».

Приведём еще одно высказывание Ломоносова: «На основании всего изложенного мы утверждаем, что нельзя приписывать теплоту тел сгущению какой-то такой, специально для того предназначенной материи, но что тепло состоит во внутреннем движении материи нагретого тела».

Смелые научные высказывания Ломоносова были не только принципиально новыми; они опрокидывали старые, общепринятые понятия и определяли пути дальнейшего развития физики.

47

Вслед за работами М.В. Ломоносова великий русский изобретатель Иван Иванович Ползунов создал первую в мире универсальную паровую машину (паросиловую установку), опередив на два десятилетия англичанина Уатта. Таким образом, Россия является родиной двух крупнейших открытий, положивших начало развитию науки о теплоте и тепловой технике.

Задачей первых теплотехнических исследований было изучение законов превращения теплоты в работу и обратно, а также особенностей тепловых процессов. Научная дисциплина, занимавшаяся этими вопросами, называлась термодинамикой. Были даны научно обоснованные расчеты паровых машин и общие методы исследований. Можно сказать, что термодинамика является научным фундаментом теплотехники, ее теоретической основой. В настоящее время задачи термодинамики расширяются. Она охватывает исследования многих физических и химических процессов.

Первое термодинамическое исследование работы паровых машин было выполнено французским ученым Сади Карно и опубликовано в 1824 г. Исследования Карно, во-первых, показали те основные факторы, от которых зависит степень совершенства превращения теплоты в работу, и, во-вторых, исключительно много дали для построения общей теории термодинамики. По существу, они установили второй закон термодинамики. Блестяще решив поставленную задачу, Карно показал, от каких принципиальных факторов зависит КПД паровых машин. В выводах своего исследования Карно писал: «Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы». Как видим, здесь дается основное положение термодинамики: для возникновения движущей силы (работы) при посредстве теплоты необходима разность температур.

Сочинение Карно, определившее на многие годы пути развития термодинамики, содержало глубокие принципиально новые идеи, которые в дальнейшем привели к открытию одного из величайших законов физики – второго закона термодинамики. Прошло более 180 лет с тех пор, как Карно высказал свои гениальные положения, но и в настоящее время они определяют основные направления развития теплосиловых установок независимо от их конструкций и принципов работы.

Второй закон термодинамики впервые был также высказан М.В. Ломоносовым, а затем в 1824 г. в исследованиях С. Карно. Окончательно он был сформулирован в 50-х гг. XIX в. Рудоль-

48

фом Клаузиусом и почти одновременно с ним Вильямом Томсоном (Кельвиным). Простейшая формулировка этого закона принадлежит Р. Клаузиусу (1847 г.): «Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более горячему так, чтобы ни в каких других телах не произошло никаких изменений».

Для развития термодинамики большое значение имело изучение теплофизических свойств водяного пара. Первые исследования принадлежат Уатту и Дальтону. Например, Дальтон указал на различия паров насыщенных и перегретых. В конце первой половины ХIX в. выполнены обширные экспериментальные исследования во Франции ученым Виктором Реньо, им исследовались не только пары, но и газы. Данные этих исследований установили основу для теории водяного пара, а также для проведения расчетов паровых процессов. Исключительно большое значение для развития физики имело создание молекуляр- но-кинетической теории вещества. Эта теория, в частности, научно опровергла гипотезу теплорода. Она дала также основания для понимания законов сохранения энергии и основных законов термодинамики.

4.2. Основные законы термодинамики

Слово термодинамика означает движение теплоты, одна-

ко из этого не следует, что в ней изучается теплообмен между телами. Ее задачей является исследование макроскопических свойств реальных тел в состоянии равновесия, а также процессов, происходящих с телами вследствие внешнего воздействия на них. Предметом изучения являются конечные результаты этого воздействия, т.е. конечное состояние, достигаемое телом, произведенная работа и количество поглощенной теплоты.

В технической термодинамике рассматриваются два основных закона.

Первый закон термодинамики представляет собой прило-

жение к тепловым явлениям всеобщего закона природы – закона сохранения энергии. Окончательное утверждение в науке закона сохранения и преобразования энергии произошло в XIX в. благодаря трудам ученых и, главным образом, Р. Майера, Д. Джоуля и Г. Гельмгольца. В 1842 г. Майер пришел к этому закону путем умозрительных заключений, а Д. Джоуль в 1843 г. сообщал о своих опытах по взаимопревращению тепла и работы, ничего не зная о работах Майера. В 1847 г. Гельмгольц дал математиче-

49

ское выражение закона сохранения и преобразования энергии и показал его роль при исследовании многих явлений природы, причем он не знал о работах Майера.

Внутренняя энергия термодинамического тела, взаимодействующего с внешней средой, увеличивается на количество полученной им теплоты Q и уменьшается на величину совершенной телом работы расширения L, то есть

Это уравнение энергетического баланса обычно записывается в виде

и рассматривается как аналитическое (математическое) выра-

теплового двигателя. Подведенная теплота Q пошла на совершение работы L и на приращение внутренней энергии U, зависящей от температуры газа, при этом Q = L+ U.

Это и есть первый закон термодинамики, выражающий следствие из закона сохранения и превращения энергии. Если в под-

50