Основы энергосбережения Поспелова ТГ 2000

63

Основы энергосбережения

Небольшие реки, каких много в Беларуси, малопригодны для регулирования мощности в энергосистеме, так как они не успевают заполнить водой водохранилище. Задачу снятия пиков нагрузки могут помочь решить гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Принципиальная схема ГАЭС дана на рис. 4.8. Когда электрическая нагрузка в ЭС минимальна, вода из нижнего водохранилища перекачивается в верхнее, при этом потребляется электроэнергия из системы, т.е. ГАЭС работает в двигательном режиме. В режиме непродолжительных пиков - максимумов нагрузки ГАЭС работает в генераторном режиме и, расходуя запасенную в верхнем водохранилище воду, выдает электроэнергию в ЭС. Рельеф Беларуси отличается наличием естественных перепадов местности, что позволяет сооружать станции с небольшим напором 80-110 м. Для Белорусской энергосистемы характерен значительный дефицит маневренной мощности, поэтому сооружение ГАЭС было бы весьма полезно.

Рис.4.8. Принципиальная схема ГАЭС.

Первые ГАЭС в начале XX в имели КПД не выше 40%, у современных его значение достигает 70-75%. На рис. 4.9 представлены возможные компоновки гидроаккумулирующих станций. На первых ГАЭС для выработки электроэнергии использовали турбины Т и генераторы Г, а для перекачки воды в верхний бассейн - электрические двигатели Д и насосы Н. Такие станции назвали 4-машинными (рис. 4.9а). Сокращение числа машин существенно снижает стоимость ГАЭС и открывает перспективы для их применения. Объединение функций генератора и двига-

ется хранение его в составе особого класса компаундов - металлических гидридов: MgHj, MgNiH^H т.п. В них атомарный водород Н «растворен» в металле. Система аккумулирования с использованием металлических гидридов привлекательна для электромобилей будущего без загрязненных выхлопов.

Супермаховик - это маховое колесо, которое можно разгонять до очень высой скорости вращения, не боясь его разрыва. Запасаемая им энергия - это кинетическая энергия вращения самого колеса. Маховик соединен с валом генератора и помещен в герметичный корпус, где для уменьшения потерь от трения поддерживается вакуум. Устройство работает как генератор, когда возрастает потребление энергии в ЭС, и как электродвигатель, когда энергию целесообразно аккумулировать. К преимуществам маховиков как аккумуляторов можно отнести высокий КПД (80-90%), бесшумность работы, отсутствие загрязнения окружающей среды, быстроту зарядки и возможность размещения непосредственно вблизи потребителя. Недостатками являются трудность обеспечения высокой степени концентрации энергии, необходимость разгона маховика, значительная стоимость устройства и жесткие требования к материалу махового колеса по прочностным характеристикам из-за опасности разрушения при высоких скоростях. Разрабатываются механические системы аккумулирования энергии на базе маховых колес для транспортных систем. В частности, созданы образцы городских автобусов.

Электрические системы аккумулирования: электростатические и индуктивные системы.

Электростатическая система (рис. 4.10) - емкостный накопитель принципиально представляет собой электрический конденсатор, помещенный в вакуум. При подключении его к внешнему источнику тока осуществляется заряда конденсатора благодаря ориентации, смещению диполей диэлектрика и созданию разности потенциалов между пластинами конденсатора. Энергия аккумулируется в форме энергии однородного электрического поля конденсатора. После отключения внешнего источника конденсатор остается заряженным в течение значительного времени. Скорость утечки заряда определяется состоянием изоляции. При замыкании конденсатора на потребителя запасенная энергия выдается во внешнюю электрическую цепь.

Индуктивная система (рис. 4.11) конструктивно представляется катушкой индуктивности (соленоидом) с полым сердечником. При подсоединении ее к внешнему источнику в цепи протекает постоянный ток, создающий внутри и вокруг катушки постоянное магнитное поле. Электрическая энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля.

на обкладках конденсатора.

Рис.4.11. Принцип действия индуктивного накопителя энергии.

После отключения внешнего источника магнитное поле исчезает, а накопленная энергия поступает обратно в электрическую цепь. Обычные катушки индуктивности как накопители энергии практического значения иметь не могут в силу неспособности их сохранять энергию сколько-нибудь длительное время. Практический интерес представля-

63 Основы энергосбережения

ЮТ сверхпроводящие катушки индуктивности с криогенной системой охлаждения, имеющие активное сопротивление равное нулю и могущие сохранять накопленную энергию в течение 10-12 часов. Однако такие системы достаточно дороги.

Индуктивные и емкостные накопители могут подключаться через выпрямители к электрической сети переменного тока. На сегодняшний день конструкций подобных накопителей, имеющих удовлетворительные промышленные характеристики, пока не создано.

Химические системы аккумулирования энергии предполагают накопление химической энергии в форме энергии связи электронов с ядрами в атомах или связи атомов в молекулах. Пример химического механизма аккумулирования энергии - реакция, происходящая у электродов электрических батарей - электрохимических аккумуляторов.

Электрическая батарея - комбинация включенных параллельно или последовательно двух и более электрохимических элементов. Батарея заряжается путем питания электрической энергией от внешнего источника, которая в электрохимических элементах преобразуется в химическую энергию. При подключении электрической батареи на внешнюю нагрузку (потребителя) она снова выдает электрическую энергию. Таким образом, электрохимический аккумулятор работает в режиме «заряд - разряд». Современные конструкции электрохимических аккумуляторов не удовлетворяют ни требованиям централизованного производства электрической энергии, ни использованию в транспортных средствах. Находят применение в основном свинцово-кислотные аккумуляторы для запуска двигателей внутреннего сгорания, прежде всего в автомобилях.

Принципиальная схема электрохимического элемента показана на рис. 4.12. В электролит - слабо концентрированную серную кислоту HjSO^ погружены анод из пористого свинца РЬ, служащий топливом и отдающий электроны, и катод - набор сеток, заполненных перекисью свинца РЬО^, на котором происходит восстановление (поглощение) электронов е веществом-окислителем. Реакции, протекающие в электрохимическом элементе в режиме разряда при подключении на внешнюю нагрузку, имеют вид:

ры, а от аккумуляторов второй группы - путем возвращения рабочего тела в первоначальное агрегатное состояние.

Аккумуляторы явной теплоты применяются в системах производства электроэнергии, в том числе на солнечных электростанциях. Аккумуляторы скрытой теплоты - для питания потребителей коммунальнобытового сектора (широко применяются в солнечных отопительных установках жилого сектора США), сферы обслуживания.

4. 6. МЕТОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

На смену традиционным способам преобразования энергии неизбежно придут качественно новые, более совершенные, в первую очередь, способы непосредственного или прямого преобразования тепловой, ядерной, световой и химической энергии в электрическую энергию.

Способы прямого преобразования различных видов энергии в электрическую основываются на физико-химических явлениях и эффектах, открытых учеными. Пока эти способы не конкурентоспособны с традиционными способами производства электроэнергии, используемыми в большой энергетике.

Однако уже сегодня прямое получение электроэнергий широко применяется в автономных источниках энергии небольшой мощности, для которых показатели экономичности работы не имеют решающего значения, а важны надежность работы, компактность, удобство обслуживания, небольшой вес. Такие источники энергии используются в системах сбора информации в труднодоступных местах Земли и в межпланетном пространстве, на космических аппаратах, самолетах, судах и т. п.

Различают физические и химические источники электрической энергии. К физическим источникам относятся термоэлектронные генераторы, фотоэлектрические батареи, термоэмиссионные преобразователи. В химических источниках, например, гальванических элементах, аккумуляторах, электрохимических генераторах и т.п., используется энергия окислительно-восстановительных реакций химических реагентов.

Преобразование тепловой энергии в электрическую. Известные способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую подразделяются на три вида:

•магнитогидродинамические,

•термоэлектрические,

•термоэмиссионные.

МГД-метод и МГД-генератор. Магнитогидродинамический способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую является наиболее раз]эаботанным для получения больших количеств электроэнергии и лежит в основе МГД-генератора, опытные и опытно-промышленные образцы которого бьши созданы в Советском Союзе.

Сущность МГД-метода заключается в следующем.

Врезультате сжигания органического топлива, например, природного газа, образуются продукты сгорания. Их температура должна быть не ниже 2500 °С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Это означает, что происходит его ионизация. Плазма при такой относительно низкой температуре (низкотемпературная плазма) ионизирована лишь частично. Она состоит не только из продуктов ионизации - электрически заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов, но и из сохранившихся целыми, еще не подвергшихся ионизации молекул. Для того чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность при температуре около 2500 °С, к ней добавляют присадку - легкоионизирующееся вещество (натрий, калий или цезий). Ее пары ионизируются при более низкой температуре.

Воснове работы МГД-генератора лежит закон Фарадея об электромагнитной индукции: в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. В МГД-генераторе роль движущегося проводника выполняет движущийся поток низкотемпературной плазмы, т. е. поток ионизированного токопроводящего газа. На рис. 4.13 приведена принципиальная схема МГД-генератора: между полюсами постоянного магнита расположен расширяющийся канал, на противоположных стенках которого размещены электроды, замкнутые на внешнюю цепь. Плазма

снебольшой добавкой легкоионизирующегося вещества при температуре около 2700-2500 °С поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения ее тепловой энергии разгоняется там до скорости, близкой

двигателях ТЭС - паровых турбинах начальную температуру водяного пара не поднимают выше 540 °С. Это объясняется тем, что наиболее ответственные элементы турбины, прежде всего рабочие лопатки, испытывают одновременно воздействие высокой температуры и большой механической нагрузки. В канале МГД-генератора вообще отсутствуют движущиеся части, поэтому материал, из которого сделаны элементы его конструкции, не испытывает сколько-нибудь значительных механических усилий. В этом состоит одно из важных преимуществ МГД-генератора.

И хотя не существует материала, способного выдерживать температуру 2600 °С, высокотемпературные элементы конструкции МГД-ге- нератора охлаждают обычно водой. Статические условия работы позволяют использовать материалы, на поверхности которых температура может достигать 2700-3000 °С. Это открывает широкие перспективы повышения КПД преобразования энергии. Теоретически КПД может достигать 90%, реально он составляет 50-60%.

Итак, в классическом паросиловом цикле имеют место следующие преобразования энергии: тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, превращается во внутреннюю энергию пара в котле (550 °С), затем в механическую энергию турбины и в электрическую энергию генератора. В магнитогидродинамическом цикле: тепловая энергия, полученная при сжигании топлива (2600 °С), превращается в канале МГД-генератора в механическую энергию низкотемпературной плазмы и затем за счет работы против сил внешнего магнитного поля - в электрическую энергию генератора. Таким образом, цепочка преобразований энергии в МГД-методе значительно короче. Меньшее количество преобразований приводит к меньшим потерям и повышению эффективности всего цикла в целом. Экономия топлива составляет 20-25% по сравнению с традиционным циклом. КПД идеального теплового цикла Карно зависит от значений максимальной и минимальной температур рабочего тела. Максимальная температура рабочего тела в МГД-методе несравнимо выше.

На выходе из канала МГД-генератора продукты сгорания все еще имеют высокую температуру - около 2000 °С. При этой температуре плазма уже недостаточно электропроводна, поэтому продолжение процесса в МГД-генераторе невыгодно. В то же время продукты сгорания на выходе из канала обладают температурой более высокой, чем в топ-