Лекции по экологии

Рисунок 5.1. Принципиальная схема конденсационной электростанции. 

      Таков общий принцип действия КЭС. На такой  электростанции в процессе преобразования энергии неизбежны ее потери Совершенство КЭС (ТЭС) определяется ее коэффициент полезного действия (КПД) технологического оборудования станции

        Коэффициент полезного  действия (КПД) современных крупных  блочных КЭС не превышает обычно 35—40%.

      Процесс производства электроэнергии на всех видах ТЭС можно разделить  на три цикла (рисунок 5.3.):

   ▪ химический цикл, протекающий в парогенераторе. Здесь происходит преобразование химической энергии, содержащейся в топливе, в процессе горения в топке парового котла, в тепловую энергию перегретого пара;

   ▪ механический цикл, протекает в паровой турбине. Перегретый пар подается в паровую турбину, где и происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины;

   ▪  электрический цикл, протекающий в электрическом генераторе. Механическая энергия вращения ротора турбины передается на ротор электрического генератора, который и вырабатывает электрическую энергию. 

 

Рисунок 5.3. Схема преобразования топлива в электроэнергию  

      Остановимся подробнее на отдельных элементах  технологической схемы КЭС.

      Паровой котел. Это сложное техническое сооружение, предназначенное для получения (генерации) пара заданных по давлению и температуре параметров из поступающей в него питательной воды. По конструктивным признакам паровые котлы подразделяются на барабанные и прямоточные котлы.

      Паровая турбина. Паровой турбиной называют тепловой двигатель, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем в механическую работу на валу.

      Конденсатор. Экономичность работы паровой турбины в большой степени зависит от конечного давления пара, с понижением которого увеличивается используемый тепловой перепад и возрастает КПД турбоустановки и, как следствие, всей электростанции. Снижение давления пара после выхода его из турбины осуществляется с помощью устройства, называемого конденсатором, в котором поддерживается низкое абсолютное давление в пределах 3 – 4 кПа за счет охлаждения его водой из внешнего водоема.

      Количество  охлаждающей воды для выработки 1 кВт∙ч электроэнергии современной мощной конденсационной турбиной составляет от 0,12 до 0,16 м^3.. Поэтому строительство мощных КЭС возможно лишь вблизи крупных водоемов. 

      5.2.2. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). К теплоэлектроцентралям относятся электростанции, которые вырабатывают и отпускают потребителям не только электрическую, но и тепловую энергию. При этом в качестве теплоносителей служат как пар из промежуточных отборов турбины, частично уже использованный в первых ступенях расширения турбины для выработки электроэнергии, так и горячая вода с температурой 100—150°С, нагреваемая отбираемым из турбины паром.

      Так как теплота на ТЭЦ расходуется  на производство электрической и  тепловой энергии, то различаются КПД  ТЭЦ по производству и отпуску электрической энергии и по производству и отпуску тепловой энергии. Однако для совместной оценки экономической эффективности обоих процессов используется общий КПД ТЭЦ, который характеризует степень использования теплоты, расходуемой на производство обоих видов энергии одновременно. Значение этого КПД для ТЭЦ, снабженных турбинами с промежуточным отбором пара, составляет около 60%, а для ТЭЦ, использующих турбины с противодавлением,— 75%. 

5.4. Атомные электростанции 

      Привлекательность ядерной энергетики заключается  в том, что при делении ядер урана ²³⁵U выделяется большое количество энергии. При полном делении 1 кг ²³⁵U выделяется 86▪10⁶ МДж (23▪10⁶ кВт ч) энергии, а при сжигании 1 кг каменного угля выделяется только 8 кВт ч энергии. Анализируя эти данные можно сделать вывод, что ядерное топливо эффективнее традиционного органического топлива в 3000000 раз.

      Источником  ядерной энергии являются тяжелые ядра, для которых возможны ядерные превращения, сопровождающиеся их делением на более легкие ядра.

      Рассмотрим  процесс деления тяжелых ядер, лежащий в основе работы ядерного реактора АЭС. В состав атомов химических элементов, как известно, входят электрон, протон, нейтрон. Атомы состоят из ядер, вокруг которых вращаются электроны. Сами ядра состоят из очень плотно «упакованных» с помощью ядерных сил нейтронов и протонов.

      Деление ядер происходит при бомбардировке  их нейтронами. Поскольку нейтрон  имеет нулевой заряд, кулоновские  силы не могут препятствовать проникновению  нейтрона в ядро. Нейтрон, который  не связан с тяжелым ядром, попав  в него, не изменяет полную энергию связи всех протонов и нейтронов (нуклонов) ядра, но изменяет среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон, в результате чего эта энергия в новом ядре станет меньше, чем в старом. Нуклоны станут меньше связаны друг с другом, а это приведет к тому, что ядерных сил связи будет недостаточно для удерживания всех нуклонов вместе и происходит деление ядра на два других ядра-осколки (рисунок 5.9). При этом процесс деления сопровождается выделением огромного количества энергии [14]. Одновременно с делением  ядра   происходит   процесс   испускания

            

Рисунок 5.9. Схема расщепления ядра урана-235 

нескольких  отдельных нейтронов, которые в  свою очередь вызывают новые деления  ядер.

      Высвобождаемая энергия проявляется, в основном, в виде кинетической энергии разлетающихся ядер-осколков. Торможение разлетающихся ядер-осколков окружающей средой приводит к ее разогреву.

      В современных атомных электростанциях  используются в основном ядерные реакторы на тепловых (медленных) нейтронах.

      _{Ядерным реактором} называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления ядер радиоактивных элементов. В настоящее время существует несколько типов реакторов, однако всем им присущи некоторые общие черты. Все они имеют активную зону 5 (рисунок 5.10), в которую загружается ядерное топливо 1, содержащее ²³⁵U и замедлитель 2 (обычно графит или вода).  Для сокращения утечки  нейтронов из активной зоны, последнюю окружают отражателем 6, выполненным обычно из того же материала, что и замедлитель. За отражателем снаружи реактора размещается   биологическая защита 7 от радиоактивного излучения.

      Загрузка  реактора ядерным топливом обычно значительно  превышает критическую массу. Чтобы  по мере выгорания топлива непрерывно поддерживать реактор в критическом состоянии, в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 3 из карбида бора.

            

Рисунок 5.10. Схема ядерного реактора:

1 — ядерное топливо; 2 — замедлитель; 3 — управляющий стержень тепловая защита; 4 — выход теплоносителя; 5 — активная зона и теплоноситель; 6 — отражатель; 7 ─ биологическая защита; 8 ─ вход теплоносителя. 

Такие стержни называют регулирующими или компенсирующими, поскольку они компенсируют дополнительную нагрузку топлива (избыточную реактивность реактора). По мере выгорания топлива эти стержни постепенно извлекаются из активной зоны. Часть этих стержней используется также для регулирования мощности  реактора,  осуществляемого с  помощью  автоматики.

      В процессе деления ядер основная доля освобожденной энергии переходит в кинетическую энергию ядер-осколков, при торможении которых замедлителем выделяется теплота, поглощаемая последним. Для отвода тепла от замедлителей они охлаждаются прокачиваемым через активную зону теплоносителем 5. 

5.5. Гидравлические и гидроаккумулирующие электростанции 

      На  гидроэлектростанциях (ГЭС) электрическая энергия получается в результате преобразований кинетической энергии водного потока. Каждая ГЭС состоит из:

• гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора,
• энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в электрическую. Такое преобразование осуществляется с помощью гидравлической турбины, основным элементом которой является рабочее колесо.

      Вода, попадая из водохранилища по напорному водоводу на лопасти рабочего колеса, вращает его, а вместе с ним и ротор электрогенератора, вырабатывающего электроэнергию.

      По  схеме использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные.

      Существуют  две основные схемы концентрации напора гидротехническими сооружениями — плотинная и деривационная.

      В плотинной схеме предусмотрено  сооружение плотины, перегораживающей русло реки (рисунок 5.12), в результате чего образуется разность уровней воды в верховой и низовой по течению сторонах плотины. Создающееся при этом водохранилище позволяет регулировать постоянный напор и расход воды

      В практике, где это, возможно, получают широкое распространение гидроаккумулирующими электростанциями (ГАЭС).

      Процесс гидравлического аккумулирования  энергии сводится к следующему. В  ночное время, когда нагрузка энергосистемы  сильно снижается, включаются электродвигатели насосов ГАЭС, накачивающие воду из нижнего бассейна в верхний (рисунок 5.14).

      В периоды пиков нагрузки энергосистемы  запасенная в верхнем бассейне вода пропускается через турбины ГАЭС и находящиеся на одном валу с  ними генераторы вырабатывают электроэнергию.

      Республика Беларусь — преимущественно равнинная страна, тем не менее, ее гидроэнергетические ресурсы достаточно существенны. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. в качестве основных направлений развития малой гидроэнергетики в республике предусматривает:

•  восстановление ранее существовавших малых гидроэлектростанций на существующих водохранилищах путем капитального ремонта и частичной замены оборудования;

• сооружение новых малых ГЭС на водохранилищах неэнергетического назначения без  затопления;

   • сооружение малых ГЭС на промышленных водосбросах;

• сооружение бесплотинных (русловых) ГЭС на реках  со значительными расходами воды.

      Как правило, все восстанавливаемые  и вновь сооружаемые малые  ГЭС будут работать параллельно  с энергосистемой, что позволит значительно упростить схемные и конструктивные решения.

      Общую мощность малых ГЭС в республике предполагается довести к 2010г. до 100 МВт установленной мощности, что  обеспечит экономию 120 тыс. т У.Т. в год.

      Одним из высокоприоритетных белорусских национальных проектов является создание каскада из четырех ГЭС общей мощностью 132 МВт на реке Западная Двина с обеспечением специальных мер по минимизации затопления. Бассейны рек Западная Двина и Неман, протекающих по территории Беларуси, относятся к зонам высокого гидроэнергетического потенциала. Использование этого гидроэнергетического ресурса намечалось еще в 40 годах путем строительства многоступенчатых каскадов ГЭС. В настоящее время разработан проект создания каскада 4 ГЭС на р. Западная Двина со строительством ГЭС в районе Витебска, Бешенковичей и Полоцка и еще одной ниже по течению с общей установленной мощностью 132 МВт и ежегодной выработкой электроэнергии 530 млн. кВт∙ч. Требуемые капитальные вложения для реализации этого проекта составляют около 120 млн. долларов США. Аналогичный проект разработан и для р. Неман со строительством ГЭС в районе г. Гродно и д. Немново с общей установленной мощностью каскада 45 МВт и ежегодной выработкой электроэнергии 180 млн. кВт∙ч. Этот проект требует около 40 млн. долларов США капитальных вложений.

      В 2008г. принято решение о строительстве  в Минске двух малых ГЭС. Одна из них будет на водосбросе Чижовского водохранилища, а вторая – на водосборнике ТЭЦ – 3. 
 
 

ТЕМА  6. НЕТРАДИЦИОННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ. Гелиоэнергетика. 
 
 

      6.2. Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую энергию. 

      Солнце  ежесекундно излучает 370∙10¹² ТДж тепловой энергии. Но из этого количества теплоты на землю попадает, в энергетическом эквиваленте, только 1,2∙10¹⁴ кВт, т.е. в 10⁸ раз больше, чем на сегодняшний день потребляется в мире. Солнечная энергия передается на Землю в виде электромагнитного излучения, проходящего путь в космосе от Солнца до Земли. Плотность потока солнечного излучения составляет примерно 1 кВт/м², но это длится всего лишь в течение 1 – 2 ч в разгар летнего дня на широтах, близких к экватору. В большинстве районов средняя величина облучение составляет 200 – 250 Вт/м². Сравнивая эту величину со значением средней плотности энергии искусственно созданной человеком, которая составляет всего 0,02Вт/м², следует отметить, что она в 10000 раз больше.