И развития возобновляемых источников энергии

Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю.

С34 Нетрадиционные возобновляемые источники энергии Учебное издание.— М.: ИП РадиоСофт, 2008.— 228 с: ил. ISBN 978-5-93037-183-3

Рассмотрены современное состояние и перспективы исполь­зования в России и за рубежом энергии солнца, ветра, геотер­мальных вод, малых рек, океанов, морей, вторичных энергоре­сурсов и других возобновляемых источников энергиии. Приве­дены примеры их внедрения в народное хозяйство.

Для студентов энерго- и теплотехнических специальностей, а также для инженерно-технических работников, занимающих­ся решением проблем использования НВИЭ.

УДК 620 ББК 31.15

 

 

ГЯРМ 078 ч a-itnn iQii ® Ю- Д' Сибикин> М. Ю. Сибикин, 2008

ISBN 978-5-93037-183-3 © Оформление. ИП РадиоСофт, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................................. 6

11редисловие.......................................................................................... 8

Глава 1 Общая характеристика энергетики

1.1. Термины и определения................................................................ 10

1.2. Традиционные и нетрадиционные источники............................... 20

1.3. Энергетическое хозяйство промышленно развитых

стран................................................................................................ 24

1.4. Ресурсная обеспеченность мировой энергетики

и перспективы ее развития............................................................ 27

1.5. Современное состояние энергетики России................................. 31

1.6. Стратегия развития отечественной энергетики

до 2020 г.......................................................................................... 39

1.7. Место нетрадиционных источников в удовлетворении
энергетических потребностей человека........................................ 40

Глава 2 Экологические проблемы энергетики

2.1. Антропогенная деятельность и ее влияние на экологию............ 43

2.2. Основные направления экологической политики

при развитии ТЭК........................................................................... 47

2.3. Виды вредностей и их воздействие на человека.......................... 50

2.4. Предельно допустимые концентрации вредных

веществ в воздухе рабочей зоны................................................... 52

2.5. Охрана атмосферного воздуха от загрязнений промышленными предприятиями 56

2.6. Инвентаризация выбросов в атмосферу загрязняющих веществ тепловых электростанций и котельных 59

2.7. Организация контроля выбросов в атмосферу

на тепловых электростанциях и в котельных............................... 65

2.8. Определение количества выбросов............................................... 69

Глава 3

Использование энергии Солнца

3.1. Физические основы процессов преобразования

солнечной энергии.......................................................................... 81

 

3.2. Типы солнечных коллекторов и принципы

их действия................................................................................... 91

3.3. Солнечные тепловые электростанции (СТЭС).................. 99

3.4. Солнечные фотоэлектрические станции (СФЭС)............. 102

3.5. Типы солнечных батарей......................................................... 111

3.6. Зарядка и подзарядка аккумуляторов.................................. 112

3.7. Расчет параметров солнечной батареи............................... 116

Глава 4 Использование энергии ветра

4.1. Ветроэнергетические установки............................................ 118

4.2. Запасы энергии ветра и возможности ее исполь­зования............ 122

4.3. Сведения о ветровом кадастре России................................. 125

4.4. Расчет идеального и реального ветряка.............................. 126

4.5. Ветроэлектростанции............................................................... 132

Глава 5

Геотермальная энергетика

5.1. Источники геотермального тепла. Способы и методы его использования в мире 136

5.2. Использование геотермального тепла в Российской Федерации 138

5.3. Конструктивные особенности ГеоЭС России

и перспективы их развития..................................................... 141

Глава 6 Использование энергии океанов и морей

6.1. Приливообразующие силы Луны и Солнца.......................... 146

6.2. Энергетические ресурсы океанов............................................. 149

6.3. Приливные электростанции....................................................... 150

6.4. Состояние использования энергии океанов в мире.... 153

6.5. Специфика энергетического расчета ПЭС............................. 157

6.6. Непосредственное использование в графике нагрузки энергоотдачи приливов 158

6.7. Использование ПЭС в комплексе с ГЭС (ГАЭС).................. 159

Глава 7

Использование вторичных энергетических ресурсов

7.1. Система определений, понятий и классификация

вторичных энергетических ресурсов................................... 163

 

7.2. Определение выхода и использования ВЭР....................... 168

7.3. Определение экономии топлива от использования

ВЭР................................................................................................. 172

7.4. Технологии использования ВЭР при эксплуатации

и их учет при проектировании.............................................. 176

7.5. Опыт экономии тепловой энергии за счет исполь­
зования ВЭР................................................................................. 179

Глава 8 Использование производственных и сельскохозяйственных отходов, энергии малых рек и тепловых насосов

8.1. Рациональное использование биомассы............................ 187

8.2. Энергетическое использование твердых бытовых

отходов......................................................................................... 195

8.3. Малая гидроэнергетика........................................................... 205

8.4. Использование тепловых насосов........................................ 208

Глава 9

■ Перспективы использования новых видов топлива

и развития возобновляемых источников энергии

9.1. Новые виды жидкого и газообразного топлива................ 216

9.2. Синтетическое топливо из углей........................................... 217

9.3. Горючие сланцы........................................................................... 219

9.4. Битуминозные породы................................................................ 220

9.5. Спиртовые топлива................................................................... 220

9.6. Водородная энергетика............................................................ 221

9.7. Перспективы развития ВИЭ.................................................... 223

Список литературы........................................................................... 225

■

«

ВВЕДЕНИЕ

Проблема внедрения нетрадиционных возобновляемых ис­точников энергии является в настоящее время одной из наиболее актуальных для всего народного хозяйства России. Ее необходи­мо решать в кратчайшие сроки, так как это позволит повысить эффективность использования топливно-энергетических и мате­риальных ресурсов при производстве широкого спектра промыш­ленной и сельскохозяйственной продукции и снизить энергопо­требление создаваемых в РФ машин, промышленных и энергети­ческих объектов.

Современное общество к концу XX в. столкнулось с энерге­тическими проблемами, которые приводили в известной степени даже к кризисам. Человечество старается найти новые источники энергии, которые были бы выгодны во всех отношениях: просто­та добычи, дешевизна транспортировки, экологическая чистота, восполняемость. Уголь и газ отходят на второй план: их применя­ют только там, где невозможно использовать что-либо другое. Все большее место в нашей жизни занимает атомная энергия: ее мож­но использовать как в энергетике, металлургии, ядерных реакто­рах космических челноков, так и в легковых автомобилях.

Все традиционные источники энергии обязательно закончат­ся, особенно при постоянно возрастающих потребностях людей. Поэтому на рубеже XXI в. человек стал задумываться о том, что станет основой его существования в новой эре. Есть и другие причины, в связи с которыми человечество обратилось к альтер­нативным источникам энергии.

Во-первых, непрерывный рост промышленности как основ­ного потребителя всех видов энергии.

Во-вторых, необходимость значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как часто эти работы свя­заны с организацией глубокого бурения (в частности, в морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. И, в-третьих, экологические проблемы, связанные с добычей энергетических ресурсов. Не менее важной причиной необходи­мости освоения альтернативных источников энергии является проблема глобального потепления. Суть ее заключается в том, что двуокись углерода (С0₂), высвобождаемая при сжигании угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепло­вое излучение поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем, и создает так называемый парниковый эффект.

 

Благодаря трудам выдающихся отечественных ученых и ин­женеров: Н. К. Байбакова, А. С. Басина, П. П. Безруких, В. В. Бу-шуева, С. Н. Ятрова, А. Ф. Дьякова, Б. П. Варнавского, Л. П. Гуж-новского, А. И. Гриценко, Л. В. Жилиной, А. Г. Завалко, Д. Г. За-кирова В. М. Зыкова, Ю. Д. Кузнецова, Р. В. Орлова, Е. В. Паш­кова, С. И. Помазанова, В. И. Потапова, Н. К. Праведникова, М. М. Пчелина, М. Б. Плущевского, А. Ф. Лютенко, С. П. Сушо-на, Ю. А. Церерина и других проблема внедрения в России не­традиционных возобновляемых источников энергии будет пози­тивно решаться поэтапно до 2020 г.

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Стратегическая задача, поставленная Президентом и Прави­тельством России перед обществом и государством, заключается в том, чтобы определить пути более эффективного использования природных энергетических ресурсов как важнейшего националь­ного достояния страны для существенного повышения произво­димого социально-ориентированного внутреннего валового про­дукта (ВВП) и качества жизни населения при снижении удель­ных энергетических и, как следствие, материальных затрат обще­ства на свое развитие.

Структурная реорганизация экономики России требует от энергетиков решения ряда новых специфических задач.

В электроэнергетике работает более 1 млн человек. На произ­водство электрической и тепловой энергии в России в 2007 г. было израсходовано более 50% всех добываемых в стране ТЭР. Экономия энергии в электроэнергетике обеспечивается путем улучшения использования мощностей в максимуме нагрузок, расширения использования межсистемного эффекта, снижения удельных расходов топлива на электростанциях за счет модерни­зации оборудования, ввода крупных высокоэкономичных блоков, повышения уровня теплофикации и др. Значительное количество горючих энергоресурсов за период 2007-2020 гг. будет сэконом­лено в результате ввода более совершенного оборудования на но­вых и реконструируемых ТЭС, а также использования нетради­ционных возобновляемых источников энергии.

В России и за рубежом накоплен значительный опыт по совершенствованию конструкции электрогенераторов для ветро­вых электростанций. Этот опыт должен быть использован для ветровых электростанций уже в 2008 г. при создании генераторов мощностью до 1000 кВт, способных работать с переменной частотой вращения. Внедрение таких станций обеспечит эконо­мию топлива на ТЭС порядка 6...7% при высокой экологической чистоте.

Имеющийся в настоящее время в России потенциал гидро­ресурсов используется недостаточно. Это обусловлено больши­ми экологическими издержками при создании традиционных ГЭС и применением традиционного оборудования.

ВНИИэлектромаш совместно с АО «Уралэлектротяжмаш» и АО «ЭлСиб» разрабатывают и внедряют гидрогенераторы мощ­ностью от 0,5 до 10 МВт в вертикальном и горизонтальном исполнениях для малых ГЭС. Эффект от экономии топлива на

'ГЭС и дизельных станциях за счет внедрения малых ГЭС соста­вит 10%.

В НИИ и производственных предприятиях страны проводят­ся работы направленные на:

-ф- создание и внедрение экологически чистых ПГУ с внутри-цикловой газификацией твердого топлива мощностью 300...320 МВт для ТЭЦ, что позволит снизить выбросы оксидов азота, углекислого газа в 10 раз, золы в отходящих газах до 8 мг/м³ вместо 50 мг/м³, уменьшить расходы топлива на 10...12%, металла на 12...15%, воды на 25...40%; ■ф- освоение производства котлов утилизаторов для ПГУ раз­личной производительности, что позволит сэкономить до 20% топлива; 4 создание экологически чистых мусоросжигающих станций с котлами единичной производительностью 5 т/ч по сжи­ганию 100 тыс т/год твердых бытовых отходов. Учебное пособие предназначено для студентов вузов по специальности 650800 «Нетрадиционные возобновляемые источ­ники энергии».

В учебном пособии рассмотрены традиционные и нетради­ционные источники энергии, запасы и ресурсы источников энер­гии, приведена динамика потребления энергоресурсов в мире, обосновано место нетрадиционных источников в удовлетворении энергетических потребностей человека.

Проанализированы вопросы перспективного использования энергии солнца, ветра, геотермального тепла, рассмотрены кон­струкции солнечных коллекторов, аккумуляторов тепла, солнеч­ных электростанций, ветроэнергетических установок, приливных электростанций, ГеоТЭС и др.

Даны понятия о вторичных энергоресурсах (ВЭР), приведе­ны примеры их использования в настоящее время и на перспек­тиву до 2020 г.

 

 

Гл а в а 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГЕТИКИ

1.1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В учебных научно-технических и справочных изданиях, а так­же в нормативных документах, относящихся к энергетике, часто используются общетехнические и специальные термины. Рас­смотрим некоторые из терминов, смысловое содержание которых необходимо четко знать читателям настоящей книги.

Энергетика — область хозяйства, охватывающая энергети­ческие ресурсы: выработку, преобразование и использование раз­личных видов энергии.

Теплоэнергетика — отрасль теплотехники, занимающаяся преобразованием тепловой энергии в другие виды энергии (механическую, электрическую).

Температурой называют физическую величину, характери­зующую степень нагретости тела. С молекулярно-кинетической точки зрения температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Численное значение температуры связано с величиной средней кинетической энергии молекул.

В международной системе единиц (СИ) (табл. 1.1) единицей измерения абсолютной температуры является кельвин (К); на практике широкое распространение получило измерение темпе­ратуры в градусах Цельсия (°С). Значения абсолютной темпера­туры % и температуры t_c no шкале Цельсия связаны соотноше­нием /_к = t_c + 273,15.

Совокупность значений температуры во всех точках рассмат­риваемого тела в данный момент времени называют температур­ным полей.

Поверхность внутри тела или на его границах, имеющую одинаковую температуру, называют изотермической.

Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью. Численно оно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к ней.

обЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГЕТИКИ

Таблица 1.1

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ЕДИНИЦАМИ ИЗМЕРЕНИЙ В МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЕ ЕДИНИЦ (СИ) И СИСТЕМЕ МКГСС

 

	Размерность	Коэффициент перевода применяемой единицы измерения в единицу системы СИ	Рекомен­дованные десятич­ные, крат­ные и дольные единицы от единиц СИ	Единиць измерения
Величина	в системе МКГСС	в системе СИ			обязатель- ные для применения в энергетике
Линейная	м см	м	10-3 м	км; см; мм; мкм	км; м; см мм; мкм
Масса	т кг мг мкг	кг	10-3 кг -------- 10-8 кг 10-9 кг	г; мг; мкг	т; кг; г; мг мкг
Время	с, мин, ч, сут	с	60 с; 3600 с; 86400 с	кс; мс; мкс	с; мин; ч сут
Температура	°с	К	f[°C]+273,15 К	—	К;°С
Давление	кгс/см2 мм в ст. мм рт. ст. бар	Па	98066,5 Па 9,80665 Па 133,32 Па 105 Па	МПа; кПа; ГПа	МПа; кПа ГПа; Па
Расход массовый	кг/ч т/ч	кг/с	2,7778-10-4 кг/с 0,27778 кг/с	—	кг/ч; т/ч; кг/с
Энергия, количество теплоты	кал ккал Мкал Гкал	Дж	4,1868 Дж 4186,8 Дж 4,1868-106Дж 4,1868-109 Дж	ГДж; МДж; кДж; мДж	ГДж; МДж кДж; Дж Гкал; Дж Гкал; Мкал ккал; кал
Энтальпия, удельное количество теплоты	ккал кал/г	Дж/кг	4186,8 Дж/кг 4,1868 Дж/кг	кДж/кг; мДж/кг	кДж/кг ккал/кг
Тепловой поток, мощность	кал/с ккал/ч Гкал/ч	Вт (ватт)	4,1868 Вт 1,1630 Вт 1,1630-106 Вт	—	кал/ с; ккал/ч; Гкал/ч; МВт; кВт Вт
Удельная тепло-­емкость	кал/(г-К)	Дж/(кг-К)	4,1868-103 Дж (кг -К)	Дж/(кг К)	кДж/(кг К) ккал/ (кг К)

Примечание. При измерении расхода теплоносителя в единицах объема масс теплоносителя рассчитывают по формуле G = 0,00 lG₀p, где G₀ — расход теши носителя в единицах объема; р — плотность теплоносителя, определяемая по cpeд ним значениям температуры теплоносителя и его абсолютного давления за рас- ематриваемый период времени. Плотность теплоносителя определяют по нормативно-техническим материалам.

Глава 1

В системе СИ давление выражают в паскалях (1 Па = 1 Н/м²). Используют также внесистемные единицы измерения давления, например: техническая атмосфера (1 ат = 1 кгс/см² = 10⁵ Па), миллиметр ртутного столба (1 мм рт. ст. = 133,322 Па), милли­метр водяного столба (1 мм вод. ст. = 10 Па).

Удельный объем v — объем единицы массы вещества. Если однородное тело массой т занимает объем V, то v = V/m. Единица измерения удельного объема — кубический метр на килограмм (м³/кг).

Отопление — процесс поддержания нормируемой темпера­туры воздуха в закрытых помещениях.

Система отопления — техническая установка, состоящая из комплекта оборудования, связанного между собой конструктив­ными элементами, предназначенная для получения, переноса и передачи заданного количества теплоты в обогреваемое помещение.

Теплопотребляющая установка — комплекс устройств, ис­пользующих тепловую энергию для отопления, вентиляции, го­рячего водоснабжения, кондиционирования воздуха и технологи­ческих нужд.

Теплоснабжение — обеспечение потребителей тепловой энергией.

Теплосчетчик — прибор или комплект приборов (средство измерения), предназначенный для определения количества теп­лоты и измерения массы и параметров теплоносителя.

Тепловычислитель — устройство, обеспечивающее расчет количества теплоты на основе входной информации о массе, тем­пературе и давлении теплоносителя.

Узел учета — комплект приборов и устройств, обеспечива­ющий учет тепловой энергии, массы (объема) теплоносителя, а также контроль и регистрацию его параметров.

Зависимая схема подключения системы теплопотребления — схема присоединения системы теплопотребления к тепловой сети, при которой теплоноситель (вода) из тепловой сети посту­пает непосредственно в систему теплопотребления.

Приборы учета — приборы, которые выполняют одну или несколько функций: измерение, накопление, хранение, отображе­ние информации о количестве тепловой энергии, массе (объеме), температуре, давлении теплоносителя и времени работы приборов.

Потребитель тепловой энергии — юридическое или физиче­ское лицо, которому принадлежат теплопотребляющие установ­ки, присоединенные к системе теплоснабжения энергоснабжа-ющей организации.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК А ЭНЕРГЕТИКИ ___________________________________ 13

С истема теплоснабжения — совокупность взаимосвязанных Источника теплоты, тепловых сетей и систем теплопотребления.

Система теплопотребления — комплекс теплопотребляющих установок с соединительными трубопроводами или тепловыми сетями.

Счетчик пара — измерительный прибор, предназначенный дин измерения массы пара, протекающего в трубопроводе через Имение, перпендикулярное направлению скорости потока.

Тепловая сеть — совокупность трубопроводов и устройств, предназначенных для передачи тепловой энергии.

Виды тепловых нагрузок — отопительная, вентиляционная, тех­нологическая, кондиционирование воздуха, горячее водоснабжение.

Водосчетчик — измерительный прибор, предназначенный дин измерения массы (объема) воды (жидкости), протекающей и трубопроводе через сечение, перпендикулярное направлению Скорости потока.

Экология — наука, изучающая условия существования жи-ых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, которой они обитают.

Биомасса — выраженное в единицах массы (веса) или энер­гии количество живого вещества тех или иных организмов, при­ходящееся на единицу площади или объема.

Биосфера — часть географической оболочки земли, где оби-тают живые организмы. Верхняя граница биосферы находится ни высоте 10-12 км от земной коры, нижняя — на глубине 2-3 км и нефтеносных водах. В гидросфере жизнь распространяется до дна Мирового океана (10 км).

Водоохранная зона — территория, выделяемая для охраны водных источников от загрязнения и истощения.

Водопользование — использование водных ресурсов для нужд населения и народного хозяйства в порядке, установленном вод­ным законодательством.

Землеустройство — система государственных мероприятий по организации наиболее полного, рационального и эффективно­го использования земли.

Использование воды:

оборотное — при котором осуществляется циркуляция воды по замкнутому кругу с добавкой небольшого количества свежей воды. При необходимости может производится очистка воды;

прямоточное — - потребление воды осуществляется из ее ис­точника, а использованная вода сбрасывается в канализацию;

последовательное — когда вода, использованная одним потре­би гелем, передается другому, а затем сбрасывается в канализацию.

Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГЕТИКИ

 

Кадастр водный — свод сведений о водных ресурсах и ис­точниках страны. Включает географическое описание, запасы, ка­чество и режим вод в них.

Кадастр земельный — совокупность сведений о земле, ото­бражающих важные для сельскохозяйственной деятельности зем­ли и их класс (количество, качественное состояние, хозяйствен­ную ценность, правовое положение).

Оценка природных ресурсов кадастровая — определение де­нежной цены природного ресурса как результат теоретических исследований и подсчетов.

Используется для определения суммарного богатства страны (региона) и может применяться при плановых расчетах на перс­пективу.

Оценка природных ресурсов эколого-экономическая — опре­деление экономической ценности естественного ресурса с уче­том экологических последствий его использования и последу­ющих потерь или выигрышей в цепи экологических изменений, вызванных эксплуатацией данного ресурса.

Охрана водных ресурсов — совокупность мероприятий, на­правленных на сохранение чистоты водных ресурсов, предотвра­щение их загрязнения и истощения.

Охрана природы — система государственных, общественных и международных мероприятий, обеспечивающих рациональное использование, восстановление, умножение и охрану природных ресурсов от разрушения и истощения.

Электрическая станция — промышленное предприятие, вы­рабатывающее электроэнергию и обеспечивающее ее передачу потребителям по электрической сети. На электростанции проис­ходит преобразование энергии какого-либо природного источника в механическую энергию вращения турбины и далее с помощью электрических генераторов — в электроэнергию. В зависимости от того, какой природный источник энергии испоьзуется, выби­рается тип электростанции.

ТЭС

На тепловых электростанциях в электроэнергию преобразу­ется теплота, выделяющаяся при сжигании топлива.

Первые ТЭС появились в конце XIX в. (в 1882 г. — в Нью-Йорке, 1883 г. — в Петербурге, 1884 г. — в Берлине) и получили преимущественное распространение. В середине 70-х годов XX в. ТЭС — основной вид электрических станций. Доля выра­батываемой ими электроэнергии составляла: в России и США 80%; в мире около 76%.

Сейчас около 50% всей электроэнергии мира производится на тепловых электростанциях. Большинство городов России снаб-

жаются именно ТЭС. Часто в городах используются ТЭЦ -

теплоэлектроцентрали, производящие не только электроэнергию по и тепло в виде горячей воды. Такая система является доволь­но таки непрактичной, так как в отличие от электрокабеля на­дежность теплотрасс чрезвычайно низка на больших расстояниях Эффективность централизованного теплоснабжения при переда­че также сильно понижается (КПД достигает 60...70%). Подсчи­тано, что при протяженности теплотрасс более 20 км (типичная ситуация для большинства городов) установка электрического бойлера в отдельно стоящем доме становится экономически вы­годна. На размещение тепловых электростанций оказывает ос­новное влияние топливный и потребительский факторы Наибо­лее мощные ТЭС расположены в местах добычи топлива Тепло­вые электростанции, использующие местные виды органических топлив (торф, сланцы, низкокалорийные и многозольные угли мазут, газ), ориентируются на потребителя и одновременно находятся у источников топливных ресурсов.

Основным оборудованием ТЭС (рис. 1.1, а) являются котел турбина, генератор. В котле при сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине водяной пар превращается в механическую энергию вращения. Генератор превращает энергию вращения в электрическую. Тепловая энергия для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины либо котла.

Тепловые электростанции имеют как свои преимущества так и недостатки. Положительным по сравнению с другими типами электростанций является относительно свободное размещение связанное с широким распространением и разнообразием топливных ресурсов; способность вырабатывать электроэнергию без се­зонных колебаний. К отрицательным относятся следующие факторы: ТЭС обладает низким коэффициентом полезного действия если последовательно оценить различные этапы преобразования энергии, то увидим, что не более 32% энергии топлива превраща­ется в электрическую. Топливные ресурсы нашей планеты огра­ничены, поэтому нужны электростанции, которые не будут ис­пользовать органическое топливо. Кроме того, ТЭС оказывает крайне неблагоприятное воздействие на окружающую среду Тепловые электростанции всего мира, в том числе и России вы­брасывает в атмосферу ежегодно 200...250 млн т золы и около 60 млн т сернистого ангидрида, они поглощают огромное количе­ство кислорода.

Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГЕТИКИ

 

Рис. 1.1. Принципиальные технологические схемы электростанций:

a -- ТЭС; б — ГЭС; в — АЭС (1 — реактор; 2, 4 — теплообменники; 3 — турбина; 5 — насос)

Гидроэнергетика

По количеству вырабатываемой энергии на втором месте на­ходятся гидравлические электростанции (ГЭС). Они производят наиболее дешевую электроэнергию, но имеют довольно большую себестоимость постройки. Именно ГЭС позволили советскому правительству в первые десятилетия советской власти совершить большой прорыв в промышленности.

ГЭС можно разделить на две основные группы: ГЭС на круп­ных равнинных реках и ГЭС на горных реках. В нашей стране большая часть ГЭС сооружалась на равнинных реках. Равнинные

водохранилища обычно велики по площади и изменяют при­родные условия на значительных территориях. Ухудшается сани­тарное состояние водоемов: нечистоты, которые раньше выно­сились реками, накапливаются в водохранилищах, приходится применять специальные меры для промывки русел рек и водо­хранилищ. Сооружение ГЭС на равнинных реках менее рента­бельно, чем на горных, но иногда это необходимо, например, для создания нормального судоходства и орошения. Во всех странах мира стараются отказаться от использования ГЭС на равнинных реках, переходя на быстрые горные реки или АЭС.

Гидравлические электростанции используют для выработки электроэнергии гидроэнергетические ресурсы, т. е. силу падаю­щей воды. Существует три основных вида ГЭС:

1. Гидроэлектрические станции.

Технологическая схема их работы довольна проста (рис. 1.1,6). Естественные водные ресурсы реки преобразуются в гидроэнер­гетические ресурсы с помощью строительства гидротехнических сооружений. Гидроэнергетические ресурсы используются в тур­бине и превращаются в механическую энергию, механическая энергия используется в генераторе и превращается в электриче­скую энергию.

2. Приливные станции.

Природа сама создает условия для получения напора, под которым может быть использована вода морей. В результате при­ливов и отливов уровень морей меняется на северных морях -— Охотском, Беринговом, волна достигает 13 м. Между поверхно­стями бассейна и моря образуется разница уровней и таким обра­зом создается напор. Так как приливная волна периодически из­меняется, то в соответствии с ней меняется напор и мощность станций. Пока еще использование приливной энергии ведется в скромных масштабах. Главным недостатком таких станций яв­ляется вынужденный режим. Приливные станции (ПЭС) дают свою мощность не тогда, когда этого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов воды. Велика также сто­имость сооружений таких станций.

3. Гидроаккумулирующие электростанции.

Их действие основано на цикличном перемещении одного и того же объема воды между двумя бассейнами: верхним и ниж­ним. В ночные часы, когда потребность в электроэнергии мала, вода перекачивается из нижнего водохранилища в верхний бас­сейн, потребляя при этом излишки энергии, производимой элект-

Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГЕТИКИ

 

 

ростанциями ночью. Днем, когда резко возрастает потребление электричества, вода сбрасывается из верхнего бассейна вниз че­рез турбины, вырабатывая при этом энергию. Это выгодно, так как остановки ТЭС в ночное время невозможны. Таким образом, ГАЭС позволяет решать проблемы пиковых нагрузок. В России, особенно в европейской части, остро стоит проблема создания маневренных электростанций, в том числе ГАЭС.

Кроме перечисленных достоинств и недостатков, гидравли­ческие электростанции имеют следующие: ГЭС являются весьма эффективными источниками энергии, поскольку используют во­зобновимые ресурсы, они просты в управлении и имеют высокий КПД — более 80%. В результате производимая энергия на ГЭС самая дешевая. Огромное достоинство ГЭС — возможность прак­тически мгновенного автоматического запуска и отключение лю­бого требуемого количества агрегатов. Но строительство ГЭС требует длительных сроков и больших удельных капиталовложе­ний, это связано с потерей земель на равнинах, наносит ущерб рыбному хозяйству. Доля участия ГЭС в выработке электро­энергии значительно меньше их доли в установленной мощно­сти, это объясняется тем, что их полная мощность реализуется лишь в короткий период времени, причем только в многоводные годы. Поэтому, несмотря на обеспеченность многих стран мира гидроэнергетическими ресурсами, они не могут служить основ­ными источниками производства электроэнергии.

Атомная энергетика

На рис. 1.1,в приведена принципиальная технологическая схема атомной теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), не потребляющей органического топлива и не загрязняющей атмосферу.

Первая в мире АЭС — Обнинская была пущена в 1954 г. в России. Персонал 9 российских АЭС составляет 40,6 тыс чело­век или 4% от общего числа работающих в энергетике. В 2007 г. в России выработано на АЭС 11,8% или 119,6 млрд кВт-ч элект­роэнергии. Только на АЭС рост производства электроэнергии со­храняется стабильно высоким.

Планировалось, что удельный вес АЭС в производстве элект­роэнергии достигнет в СССР в 1990 г. 20%, фактически было достигнуто только 12,3%. Чернобыльская катастрофа вызвала со­кращение программы атомного строительства, с 1986 г. в эксплу­атацию были введены только 4 энергоблока.

АЭС, являющиеся наиболее современным видом электро­станций, имеют ряд существенных преимуществ перед другими

видами электростанций: при нормальных условиях функциони­рования они абсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику сырья и соответственно могут быть размещены практически везде, новые энергоблоки име­ют мощность приблизительно равную мощности средней ГЭС, однако коэффициент использования установленной мощности на АЭС (80%) значительно превышает этот показатель у ГЭС или ТЭС.

Значительных недостатков при нормальных условиях функ­ционирования АЭС не имеют, но нельзя не заметить, что при воз­можных форс-мажорных обстоятельствах: землетрясениях, ура­ганах и т. п. — здесь старые модели энергоблоков представляют потенциальную опасность радиационного заражения территорий из-за неконтролируемого перегрева реактора. Повседневная ра­бота АЭС сопровождается рядом трудностей:

Рис. 1.2. Водогрейный котел КВ-ТС

1. Существуют проблемы с захоронением радиоактивных от­ходов. Для вывоза со станций сооружаются контейнеры с мощ­ной защитой и системой охлаждения. Захоронение производится в земле, на больших глубинах в теологически стабильных пластах.

2. Катастрофические последствия аварий на некоторых уста­ревших АЭС — следствие несовершенной системы защиты.

3. Тепловое загрязнение используемых АЭС водоемов.

Глава 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГЕТИКИ

 

Функционирование АЭС, как объектов повышенной опасно­сти, требует участия государственных органов власти и управле­ния в формировании направлений их развития и выделения необ­ходимых средств.

Для централизованного теплоснабжения крупных объектов в России часто используют водогрейные котлы типа КВ-ТС и КВ-ТК для слоевого сжигания твердого топлива (рис. 1.2), типа КВ-ГМ для сжигания газа и мазута и др.

1.2. ТРАДИЦИОННЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Система топливно-энергетического комплекса (ТЭК) — это совокупность процессов добычи и преобразования первичных энергоресурсов, связанных с удовлетворением потребности в не­которых конечных продуктах.

К первичным энергоресурсам принято относить традицион­ные: нефть, газ, уголь, атомную и гидроэнергию, а также нетра­диционные возобновляемые энергоресурсы (НВЭС).

Перспективы добычи первичных энергоресурсов опреде­ляются:

— рыночными потребностями в конечной продукции ТЭК: [электроэнергия, тепловая энергия, моторное топливо, угле­водородное и неуглеводородное сырье для химии, ценные компоненты (сера, гелий, ванадий, никель и другие рас­сеянные компоненты), топливо непосредственного исполь­зования];

— технологической взаимосвязью первичных энергоресурсов при производстве конечных продуктов ТЭК;

— предпочтительностью (экономической, экологической, соци­
альной) использования того или иного первичного энер­
горесурса при производстве каждого конечного продукта
ТЭК.

Углеводородное сырье (нефть, углеводородный конденсат, природный и нефтяной газ, уголь) является и будет служить в дальнейшем основным источником энергоресурсов в мире (табл. 1.2).

Согласно «Основным положениям энергетической стратегии РОССИИ» аналогичные тенденции будут в энергетическом балансе «.трапы до 2020 г. (табл. 1.3).

Нес возрастающие нагрузки на окружающую среду традици­онной энергетикой, промышленностью, транспортом, антропо-

генной деятельностью человечества привели к острой необходи­мости в интеграции энергетической, экологической и социально-экономической политики.

Таблица 1.2

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: