Р

Контейнмент

Парогенератор

Компенсатор тиску

Керуючі стрижні

До водосховища чи градирні

ис.3.5

Схематичне зображення атомної електростанції з водо-водяним реактором

З

повітря

агальна схема розподілу енергії у паровому котлі і відповідних втрат за умов нормальної роботи наведена на Рис. 3.6.

Рис. 3.6

Втрати енергії за умов нормальної роботи

Аналіз принципів діяльності парових котлів та джерел утворення втрат дає змогу визначити головні шляхи підвищення їхньої ефективності:

• використання енергії продуктів згоряння (димових газів), які виходять з топки котла (камери згоряння) у напрямку димаря, для обігріву живильної води у спеціальному теплообміннику (економайзері), а також підігрівання повітря, що подається у топку;

• утворення вихорив повітря, що надходить у топку (камеру згоряння), для забезпечення більш швидкого перемішування палива і повітря і сприяння утворенню турбулентності димових газів, що забезпечує більш високий рівень теплообміну;

• застосування примусової циркуляції води;

• мінімізація зовнішньої поверхні котла (камери згоряння) з метою зменшення поверхні тепловіддачи та втрат тепла;

• максимізація внутрішньої поверхні нагрівання;

• надійна теплоізоляція зовнішньої поверхні котла (камери згоряння).

Окремо варто зупинитися на генераторах енергії, які використовують інші принципи, ніж перетворення потенційної енергії палива (у тому числі й ядерного) у кінетичну енергію. До таких альтернативних генераторів відносяться гідротурбіни,. які використовують енергію води для обертання роторів турбін, та вітрові двигуни, які використовують енергію вітру. В обох випадках йдеться про використання енергії води чи вітру для обертання роторів електричних генераторів, або для обертання тих чи інших спеціальних виконавчих механізмів (млинів, верстатів тощо). Ці види генераторів є найбільш давніми: з ними людство зустрілося вже багато століть тому. Йдеться про водяні та вітрові млини. Але після засвоєння різних типів теплових машин пальма першості перейшла до останніх. У наш час погляд на ці види альтернативних генераторів (з урахуванням дифіциту органічного пального, а також вимог екології) перетерпів значних змін і «мала» енергетика починає свій переможний поступ. Тут треба додати, що потужні гідроелектростанції (ГЕС) ніколи не втрачали своєї актуальності, але для їхньої розбудови необхідно було виконати певні вимоги, яки обмежували їхнє використання (суттєвий перепад рівня води завдяки наявності природних умов або протікання річки у глибокому каньоні, коли розбудова греблі не викликає проблем з підтопленням естуарію). Отже йдеться про так звану «малу» енергетику, тобто розбудову малих гідроелектростанцій, які можна реалізувати на річках із стрімкою течією і які не вимагають будівництва великих і дуже дорогих гребель. Об’єктами малої енергетики є малі та мікро ГЕС, які використовують енергію водних ерсурсів та гідравлічних систем за допомогою гідроенергетичних установок малої потужності (від 1 до 3000 кВт). Такі станції вимагають незначних капітальних витрат при будівництві і окупні в межах 5 років. Гідроагрегат малої ГЕС складається з турбіни, генератора і системи автоматичного керування. За характером гідроресурсів, які використовуються, міні-ГЕС можна розподілити на:

• нові руслові або пригреблеві станції з невеликими водосховищами, що використовують швидкістну енергію вільної течії річок;

• станції, які використовують існуючі перепади рівнів води на різноманітних об’єктах водного господарства (судохідних спорудах, водоочисних комплексах тощо).

Нижче наведено два приклади конструкцій міні-ГЕС. На Рис. 3.7-а ілюструється станція, в якій турбіна розташована не менше, ніж на 2 метри нижче висоти витоку. Вода надходить на гідравлічні насадки, де отримує необхідне прискорення, а потім вдаряє на лопатки гідротурбіни, яка обертає вал гідрогенератора. На Рис. 3.7-б наведена станція, в якій турбіна находиться на рівні витоку. Вода проходить через направляючі лопаті і обертає пропелер, з’єднаний з електрогенератором, а потім відсмоктуючою трубою відводиться у с

8

бросні води.

а

б

Р

5

9

ис. 3.7

Принципови схеми розтошування турбін міні-ГЕС

1

6

- всмоктуючий фільтр; 2 - трубопровід; 3 – висота витоку; 4 - гідрогенератор; 5 – сбросні води; 6 – відстійник; 7- відсмоктуючи труба; 8 – верхня вода; 9 – направляючі лопаті

Головними перевагами міні-ГЕС є:

• захист довкілля за рахунок зниження викидів СО₂;

• перевірені та надійні технології;

• зниження залежності від імпортного пального;

• збільшення різноманіття енергетичних ресурсів;

• відсутність необхідності у земельних площах;

• сприяння місцевому та регіональному розвитку;

• допомога в обслуговуванні річкового бесайну;

• електрифікація сільської місцевості;

• невеликі терміни окупності.

Мала енергетика за останні десятиріччя зайняла стійке становище в багатьох країнах світу. Наприклад, у 2005 році сумарна потужність міні-ГЕС у світі зросла на 8% і досягла 66 ГВт, причому вона склала 36% від сумарної потужності усіх поновлюваних джерел енергії (виключаючи велику гідроенергетику) і 1,6% від загальних електроенергетичних потужностей. У 2006 році сумарна потужність міні-ГЕС у всьому світі вже склала близько 73 ГВт, причому серед країн лідерство мають Китай (47 ГВт), Японія (4 ГВт), США (3,4 ГВт). П’ятірку лідерів замикають Італія та Бразилія.

Мала гідроенергетика залишається одним з найбільш важливих і конкурентоздатних поновлюваних джерел енергії: середня вартість 1 кВт-години електроенергії на міні-ГЕС в Європі у 2005 році складала $ 0,03, а потенційна вартість її у світі за оцінками аналітиків не перевищить $ 0,2.

а

б

Р ис. 3.8

а - Загальний вигляд мікро-ГЕС, побудованої за схемою рис. 3.7-а;

б – загальний вигляд мікро-ГЕС, встановленої безпосередньо у потоці

Не менш перспективними є й вітрові електростанції. Сучасні вітрогенератори працюють починаючи із швидкостей вітру 3 м/с, не шумлять, мають малогабаритні розміри та достатній ресурс. Середня потужність, яку розвиває один «вітряк», складає близько 30 Вт, але потужність залежить від кубу швидкості вітру. Вітрогенератор не використовується безпосереднє для живлення електромережі, оскільки сила вітру весь час змінюється, а іноді її зовсім недостатня для роботи генератора. Тому він працює на заряджання акумуляторної батареї, а вже від неї може працювати інвертор, який перетворює сталий струм батареї на змінний струм промислової частоти. Сучасні акумулятори мають термін експлуатації до 15 років, герметизовані, не бояться низьких температур. Вітрова електростанція складається з головки (вітротурбина, генератор, пристрій для обертання), блока керування (у тому числі системи стабілізації обертів турбіни) і перетворення, щогли і акумуляторної батареї.

Вітротурбіна може мати декілька різновидів: з вертикальним та горизонтальним валом (Рис. 3.9-а, б). При використанні вертикального валу відсутня необхідність у пристрої для обертання осі турбіни відносно напрямку вітру, крім того, ці «вітряки» можуть бути більш потужними, а експлуатація їх набагато простіша, оскільки генератори звичайно розташовуються близько землі. На Рис. 3.9-в наведено загальний вигляд комбінованої (вітро-сонячної) станції з роторною доцентровою повітряною турбіною потужністю 1000 Вт, сонячною батареєю потужністю 1000 Вт, акумуляторною батареєю, інверторами та системою керування.

Перетворення кінетичної енергії вітру у механічну в сучасних вітрових станціях досягає 39-42 %, а механічної енергії в електричну – 90-94%.

а

б

в

Рис. 3.9

Загальний вигляд різних типів «вітряків» (а) і (б), а також комбінована (сонце-повітря) станція (в) загальною потужністю 2000 Вт з двома однотипними вітромодулями, працюючими на одному валі, та шістьма модулями сонячної батареї.

До початку 2007 року встановлена сумарна потужність вітрових станцій світу перевищила 74 ГВт, а щорічний приріст потужностей складає стабільно 24-25%. Європейські вітрові станції на початок 2007 року задовольняли близько 4% потреб у електроенергії, а сумарна потужність встанолених станцій перевищила 48 ГВт (65% світових потужностей).

Одним з найсучасніших видів перетворювачів енергії є так звані паливні елементи. Ще у 1839 році Уільям Роберт Гроу відкрив шлях поєднання водню та кисню для отримання електричного струму, тепла та води, але стан сучасних йому технологій не дозволив зробити з цього відкриття практичних результатів. Лише у 1932 році Френсіс Бекон розробив діючий паливний елемент (ПЕ), який використовував лужний електроліт та нікелеві електроди. Ідею Бекона підхопили вчені НАСА у 50-ті роки, розробивши ПЕ для отримання електроенергії та питної води для пілотованих космічних польотів. Сьогодні ПЕ широко використовуються у екологічно чистому транспорті (приватному та громадському, утому числі на легкових та вантажних авто, мотоциклах, скутерах, автобусах і спеціальному транспорті) та як джерела енергії для неатомних підводних човнів.

3

6

4

1

2

5

7

Рис.3.10

Принципова схема ПЕ

1 – Паливо (Н₂); 2 – Каталізатор-анод; 3 – Електрична ланка; 4 – Полімерна електролітна мембрана; 5 – Каталізатор-катод; 6 – Кисень (О₂) з повітря;

7 – Викид води (Н₂О)

Паливний елемент ПЕ, принципова схема якого наведена на Рис. 3.10, у чому-то є подібним до батареї. У той же час ПЕ не розряджується і не потребує підзарядження, як акумулятор. ПЕ виробляє енергію у вигляді електричного струму та тепла весь час, поки до нього надходить паливо. Він складається з двох електродів, між якими знаходиться електроліт. Кисень (О₂) проходить через один з електродів, а водень (Н₂) – через другий, генеруючи електричний струм, воду (Н₂О) та тепло. Водневе паливо надходить на «анод» ПЕ. Кисень (або повітря) надходить до ПЕ через катод. Під впливом каталізатора (платини) атом водню розщеплюється на протон і електрон, які мають різні шляхи до катоду. Протони проходять крізь електроліт, а електрони створюють окремий струм у замкненій електричній мережі, перед тим, як вони повернуться до катоду і кисень з воднем об’єднаються у молекулу води. Система ПЕ, що включає «перетворювач палива», може використати водень з будь-якого вуглеводневого палива – від природного газу до метанолу і навіть газоліну, а також рідкий водень або спеціальні тверді сполуки, які містять водень. Оскільки у ПЕ відбуваються «холодні» хімічні процеси, а не горіння, викиди з такого роду систем будуть набагато менші, ніж викиди самих чистих систем спалювання палива. Загальний вигляд ПЕ наведено на рис. 3.11. Останнім часом розроблено так звані твердооксидні ПЕ, які застосовуються в стаціонарних устаткуваннях потужністю від 1 кВт і вище. Вони працюють при температурах 700^оС -1000 ^оС і їхні відпрацьовані гази можуть використовуватися для обертання газових турбін, що підвищить коефіцієнт корисної дії силової установки до значення 70% (тобто удвічі). У цих ПЕ іони кисню проходять крізь твердий оксид, який використовується як електроліт, і за умов високої температури реагують з воднем на аноді. Завдяки високій робочій температурі цей тип ПЕ не вимагає використання такого дорогого каталізатору як платина (що є умовою роботи ПЕ з протонно-обмінною мембраною), але необхідно застосовувати спеціальні керамічні матеріали. Це свідчить також про те, що твердооксидні ПЕ не отруюються монооксидом вуглецю і вони можуть використовувати різні види палива: метан, пропан, бутан, газ, отриманий з біомаси, тощо. Треба лише видаляти сірку за допомогою адсорбентів.