1.2. Виды энергетических ресурсов и их запасы

Инженеру-энергетику необходимо иметь хотя бы общее представление о мировых запасах топлива. Раз­личные виды топлива имеют существенно разные энерго­емкости, величины которых приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Виды топлива	Условное топливо	Уголь (антра­ цит)	Дрова (сухие)	Нефть	Г аз (пропан)	Водород
Удельная энергоем­ кость: 106 Дж/кг ккал/кг	29,3 7000	33,5 8000	10,5 2500	41,9 10 000	46,1 11 000	12,06 28 800

У

I Америка

голь. Мировые геологические запасы угля, выражен­ные в условном топливе, оцениваются в 12 000 млрд. т, из которых 6000 млрд. т относятся к достоверным. Наглядное представление о мировых запасах угля и

\БЗ%'Ш Азия

|У7»|М Европа ^''Щктрапия.

Рис. 1.9. Оценки мировых запасов угля:

■ на различных континентах;

б — перспектива использования

перспективах их использования дает рис. 1.9. Наиболь­шими достоверными запасами располагают СССР и США. Значительные достоверные запасы имеются в ФРГ, Англии, КНР и ряде других стран. Современная техника и технология позволяют экономически оправдан­

но добывать лишь 50% от всех достоверных запасов угля.

В энергобалансе СССР в начале 70-х годов произо­шли существенные изменения: ископаемые угли времен­но уступили занимаемое ими ранее первое место нефти и газу. Однако роль угля в снабжении народного хозяй­ства нашей страны источниками энергии в перспективе исключительно велика. Углепромышленные бассейны имеются в пределах РСФСР (Печорский, Кузнецкий, Канско-Ачинский, Иркутский, Подмосковный), на Ук­раине (Донецкий, Днепропетровский, Львовско-Волын- ский) и в Казахстане (Карагандинский и Экибастуз- ский).

Запасы угля мирового масштаба находятся в Во­сточной и Западной Сибири. Среди подсчитанных общих геологических запасов углей в СССР более 90% состав­ляют энергетические угли и менее 10%—дефицитные коксующиеся угли, необходимые для металлургии. Энер­гетические угли большой массы (202 млрд. т) имеются на площадях, пригодных для открытой разработки. Это, например, Канско-Ачинский бассейн в Восточной Сиби­ри, где имеются запасы бурых углей в мощных (от 20 до 40 м) пластах, залегающих на глубине менее 200 м от поверхности, и многие другие.

Более 90% общесоюзных запасов углей находится на территории, расположенной к востоку от Урала, а 60% добываемого в СССР угля потребляется на Урале и в западных районах. Между тем, добыча угля в европей­ской части нашей страны достигает 50% от общей добы­чи. Перспективно использование запасов угля, располо­женных за Уралом. Особенно богато угольными бассей­нами пространство между Тургайской низменностью и озером Байкал до 60° с. ш., прилегающее к Сибирской и Южно-Сибирской магистралям. Оно включает 7з всех подсчитанных запасов углей (Карагандинский, Экиба- стузский, Майкюбейский, Кузнецкий, Минусинский, Кан­ско-Ачинский, Иркутский, Нерюнгринский и многие другие бассейны). В местах разработок полезных иско­паемых создаются новые промышленно-экономические районы и центры.

Дальность перевозки каменных углей из Казахстана на Урал и в Поволжье и полная нерентабельность транспортировки на значительное расстояние рыхлых и высокозольных сибирских бурых углей, а также нере­шенность задачи сверхдальней передачи электроэнергии

заставляют обратить особое внимание на расширение площадей с энергетическими углями в старых углепро­мышленных районах п поиски новых месторождений на западе СССР. В этом отношении перспективны Донецкий и Печорский бассейны, обладающие реальными для ос­воения запасами энергетических углей ¹.

Каменный уголь состоит из остатков флоры, существовавшей на Земле в геологические эпохи задолго на нашего времени. В ка­менноугольный период жизни поверхность планеты была обильно покрыта растениями. Многие из современных растений, такие, на­пример, как папоротники, в ту эпоху имели намного большие раз­меры. Каменный уголь образовался после отмирания растений и покрытия их осадочными породами.

Растения в период жизни запасают химическую энергию, пре­вращая за счет энергии солнечных лучей углекислоту и воду в ра­створимые углеводы, откладывая их в виде клетчатки в стволах и ветках. Белковые вещества в растениях получаются синтезом неор­ганических азотсодержащих веществ, поступающих из почвы, и органических веществ, выработанных за счет энергии Солнца. По выражению акад. П. П. Лазарева «...химическая энергия, запасен­ная в древесных породах, есть превращенная энергия Солнца» ².

Если дерево сжечь в присутствии кислорода с образованием углекислоты, воды и первоначальных азотистых соединений, то полученная при этом теплота будет отвечать энергии, доставленной растению Солнцем.

Среднее содержание различных элементов в камен­ном угле показано на рис. 1.10.

П ри сгорании каменного угля выделяется примерно 8,14 кВт-ч/кг (29,3 МДж/

/кг) энергии.

Нефть. Оценка миро­вых запасов нефти в на- ) УглероЗ. стоящее время представ­ляет особый интерес. Это вызвано быстрым ростом ее потребления и тем, что ^ во многих странах (Япо- А кислоро нии, Швеции и др.) нефть 5%-Шорид

при производстве электро- ^Рис' ^1Л каменного^гля ^состав энергии вытеснила уголь

(в последнее время этот процесс приостановился). На транспорте за счет нефти в настоящее время удовлетво­ряется свыше 90% мирового потребления энергии.

Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд. т, из которых 53 млрд. т составляют достовер­ные запасы. Более половины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Среднего и Ближнего Во­стока. В странах Западной Европы, где имеются высоко­развитые производительные силы, сосредоточены отно­сительно небольшие запасы нефти (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Страна, район	Запасы, % от достовер­ных мировых запасов нефти	Страна,	район	Запасы, % от до­стовер­ных ми­ровых запасов нефти
США	9,8	Западная Европа		0,5
Страны Латинской	7,0	Африка		8,1
Америки и района Ка-		Страны	Ближнего	60,9
рибского моря		и Среднего Востока
Канада	2,1

Оценки достоверных запасов нефти по своей природе динамичны. Их величина изменяется по мере проведения разведок новых месторождений. Геологические разведки, осуществляемые в широких масштабах, приводят, как правило, к увеличению достоверных запасов нефти. Все имеющиеся в литературе оценки запасов являются ус­ловными и характеризуют только порядок величин.

Быстрый рост потребления нефти определяется в ос­новном четырьмя причинами:

1. развитием транспорта всех видов и в первую оче­редь автомобильного и авиационного, для которых жид­кое топливо пока незаменимо;

2. улучшением показателей добычи, транспортировки и использования (по сравнению с твердым топливом);

3. стремлением в кратчайшие сроки и с минималь­ными затратами перейти к использованию природных энергетических ресурсов;

4. стремлением в промышленно развитых странах получить возможно большие прибыли за счет эксплуата­ции нефтяных месторождений развивающихся стран.

Несоответствие между расположением нефтяных ресурсов и местами их потребления или центрами про­изводительных сил привело к бурному прогрессу в раз­витии средств транспортировки нефти, в частности к

созданию трубопроводов большого диаметра (больше

1. м) и танкеров большой грузоподъемности.

Нефть была известна еще древним грекам и римлянам, которые называли ее питтолиумом. В VI в. до н. э. горючие газы, выделяю­щиеся из нефтяных источников на Апшеронском полуострове, дали повод к обожествлению вечного огня, в честь которого сооружа­лись храмы. Примерно в то же время жидкую нефть, разлитую по берегам Каспийского моря, использовали для освещения и лечения кожных болезней. В древности нефть, вытекающую из трещин в земле и нефтяных скважин, собирали в специальные ямы, из кото­рых она впоследствии забиралась для хозяйственных нужд.

По мере увеличения потребности в нефти, примерно с XVI в., стали вырывать специальные глубокие колодцы, откуда черпали нефть. Месторождения нефти представляют собой пористые пласты песчаника или известняка, пропитанные жидкостью. Сооружение колодцев в те времена было делом опасным: Колодец необходимо было рыть до пропитанного нефтью пласта, по мере приближения к которому нефтяные газы просачивались в колодец и делали не­возможным дыхание. Один из таких колодцев на Апшеронском полуострове сохранил надпись о том, что он сооружен в 1594 г.

С помощью колодцев нефть добывали до XIX в. Первая в мире нефтяная скважина пробурена в 1848 г. Ф. А. Семеновым в урочи­ще Биби-Эйбат на берегу Каспийского моря.

Нефть представляет собой бурую жидкость, содержащую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобразный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих важное техническое значение: бензин, керосин и смазочные масла, а также вазелин, применяемый в медицине и парфюмерии.

Чтобы объяснить происхождение нефти, ученые пользовались результатами опытов, при которых производилось нагревание до высоких температур растений и остатков животных без доступа воздуха. В результате такого нагревания, называемого сухой пере­гонкой, образовывались углеводороды, сходные с углеводородами, заключающимися в нефти.

Предполагалось, что в древние времена существовавшие и умершие флора и фауна были покрыты осадочными породами на дне морей и океанов, которые образовались при опускании земной поверхности. Можно допустить, что опускание земной поверхности происходило до больших глубин, где органические остатки под дей­ствием теплоты Земли превращались в нефть. Такое воззрение со­ставляет основу биолого-геологической теории образования нефти, подтвержденной многочисленными исследованиями.

Природный газ. Мировые геологические запасы газа оцениваются в 140—170 трлн. м³. Распределение запа­сов газа по странам и районам приведено в табл. 1.4. Эти цифры следует рассматривать как весьма прибли­женные, изменяющиеся по мере проведения разведок.

Нефть и газ нужны не столько как энергетическое сырье, сколько как сырье для химической промышлен­ности. В настоящее время известно более 5000 синтети­ческих полезных продуктов, получаемых из нефти и га­за, и число их ежегодно увеличивается. Однако пока только 3—5% от добытых запасов перерабатывается как химическое сырье. Нефтяные и газовые месторождения открываются на глубине и оцениваются только бурением глубоких скважин. Затраты на бурение составляют

Таблица 1.4

Страна, район	Запасы, % от мировых достоверных запасов газа	Страна, район	Запасы, % от ми­ровых до­стовер­ных за­пасов газа
США	27,5	Страны Среднего и	20,6
Канада	4,3	Ближнего Востока
Страны Латинской	6,2	Африка	15,1
Америки и район Ка-		Страны Дальнего	2,3
рибского моря		Востока СССР и страны с плановой экономикой	14,4

более 70% от затрат, расходуемых на проведение геоло­горазведочных работ.

Гидроэнергетические ресурсы. Гидроэнергия на Зем­ле оценивается величиной 32 900 ТВч-ч в год. Около 25% этой энергии по техническим и экономическим ус­ловиям может использоваться для практических нужд. Эта величина примерно в 2 раза превышает современ­ный уровень ежегодной выработки электроэнергии всеми электростанциями мира. В табл. 1.5 содержатся данные о гидроэнергетических ресурсах в различных странах. В большинстве развитых капиталистических стран доля гидроэлектростанций в выработке электроэнергии сни­жается, что обусловлено освоением других наиболее эко­номичных энергоресурсов и использованием гидростан­ций преимущественно в пиковых режимах.

Гидроэнергетический потенциал рек Советского Союза велик — 4000 млрд. кВт-ч (среднего­довая мощность рек равна 450 млн. кВт), что составляет 12% от потенциала рек земного шара. В нашей стране широкое использование гидроэнергетических ресурсов впервые было предусмотрено в 1920 г. Ленинским пла­ном электрификации России (ГОЭЛРО). По этому пла­ну намечалось строительство 10 крупных по тому време­ни гидроэлектростанций (Волховская, Днепровская,

Свирская и др.) с установленной мощностью 640 МВт. К 1941 г. мощность всех гидроэлектростанций составила 1,4 ГВт. В военные годы широко развернулось строи­тельство ГЭС в Средней Азии, а в послевоенные (до 1966 г.)—в северо-западных районах (Кольский полу­остров, Карелия, Ленинградская область и Эстонская ССР), в Закавказье, а также на Волге, Каме и Днепре.

Таблица 1.5

Государства	Мощность, ГВт		Государства	Мощность, ГВт
	при среднегодовых расходах воды (обеспеченность 50%)	при минимальных расходах воды (обеспеченность 95%)		при среднегодовых расходах воды (обеспеченность 50%)	при минимальных расходах воды (обеспеченность 95%)
СССР	249,4	79,5	Франция	5,8	3,4
США	53,9	25,0	Италия	5,2	2,8
Канада	25,1	15,85	Швейцария	3,8	2,4
Япония	13,2	5,6	Испания	5,0	2,9
Норвегия	20,0	12,0	Германия	3,7	1,5
Швеция	8,9	2,9	Англия	1,2	0,6

В конце этого периода было начато строительство круп­нейших гидростанций в Сибири (Братской, Краснояр­ской, Усть-Илимской, Саяно-Шушенской).

В соответствии с основными направлениями разви­тия электроэнергетики нашей страны в 1986 г. выработ­ка электроэнергии на гидроэлектростанциях составила 230—235 млрд. кВт-ч при установленной мощности гид­роэлектростанций 65 млн. кВт.

Уникальные запасы гидроэнергии сосредоточены на реках Ангаре и Енисее; на них будет построено более 10 крупнейших ГЭС общей установленной мощностью 60 млн. кВт, среди которых предполагается сооружение Среднеенисейской и Туруханской станций с агрегатами до 1 млн. кВт установленной мощности.

Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечной ра­диации, конденсируется в высоких слоях атмосферы в виде капе­лек, собирающихся в облака. Вода облаков падает в виде дождя в моря, океаны и на сушу или образует мощный снеговой покров гор. Дождевая вода дает начало рекам, питающимся подземными

источниками. Круговорот воды в природе происходит под влиянием солнечной радиации, благодаря которой появляются на­чальные процессы круговорота — испарение воды и движение обла­ков. Таким образом, кинетическая энергия движущейся в реках воды есть, образно говоря, освобожденная энергия Солнца.

В отличие от невозобновляемой химической энергии, запасенной в органическом топливе, кинетическая энергия движущейся в реках воды возобновляема — на гидроэлектростанциях она превращается в электрическую энергию.

Э

Салнц&

Рис. 1.11. По­ложения Солн­ца, Луны и Земли, влияю­щие на прили­вы

нергия приливов и отливов. В последние годы повысился интерес научной и инженерной общест­венности к проблемам широкого использования энергии солнечной радиации, ветра, геотермальной энергии, а также приливной и термальной энергии Мирового океа­на. Явления приливов и отливов связаны главным обра­зом с положением Луны на небосклоне. Солнце также влияет на приливы и отливы, однако эффект его влияния примерно в 2,6 раза меньше. В течение лунных суток, т. е. за 24 ч 50 мин, дваж­ды наблюдается повышение и понижение уровня воды в морях и океанах. Амплиту­да колебаний уровня воды в различных точках земного шара зависит от широты и характера берега континента. Ее вели­чина может быть значительной: так, око­ло Магеланова пролива зарегистрирова­на амплитуда колебаний уровня воды 18 м, а около берегов Америки — 21 м. Приливы и отливы могут на многие ки­лометры, как, например, во Франции, ме­нять границу воды и суши.

В закрытых морях (Каспийском, Чер­ном) эффекты приливов и отливов прак­тически незаметны. Максимального уров­ня приливная волна достигает в тех слу­чаях, когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой (рис. 1.11).

Приведенные рассуждения следуют из тех пояснений, которые дал на основе гравитационной теории Ньютон. Вкратце они сводят­ся к следующему. Пусть на Землю в направлении LB (рис. 1.12) действует сила притяжения Луны, которая создает ускорение Зем­ли а₃, направленное по прямой LB. Ускорение воды, находящейся в зоне А, больше ускорения Земли, а ускорение воды, находящейся в зоне В, меньше ускорения Земли. Различие в ускорениях приво­дит к смещению массы воды, которое в преувеличенном виде пока­зано на рис. 1.12. При вращении Земли выпуклости воды переме­щаются относительно поверхности, создавая трение, называемое

приливным и приводящее к замедлению вращения Земли. По оро­шению к атмосфере, окружающей Землю, также справедливы при­веденные рассуждения. Как показали исследования, в атмосфере действительно существуют прилив­ные волны. Энергия приливов по­стоянностью своего проявления выгодно отличается от энергии (стока) рек, существенно завися- щей от атмосферных факторов, носящих вероятностный характер.

О

Вода

Рис. 1.12. Характер распреде­ления воды по поверхности Земли под действием Луны

б использовании энергии при­ливов еще издавна мечтал чело­век. Сотни лет назад на побережье Европы и Северной Америки со­оружались приливные мельницы.

Некоторые из них и сейчас рабо­тают в Англии и во Франции. Водяные колеса таких мельниц уста­навливались при входе в бассейн и приводились во вращение те­чением воды.

В настоящее время сооружено несколько мощных электростанций, использующих энергию приливов. Одна­ко большая стоимость таких станций и трудности, свя­занные с неравномерностью их работы (пульсирующий характер выдачи мощности), не позволяют пока счи­тать приливные станции достаточно эффективными, в связи с чем развитие их идет медленно.

Атомная энергия. К 1980 г. суммарная мощность атомных электростанций (АЭС) в 20 странах мира до­стигла 140 тыс. МВт. Предполагается, что к 2000 г. она составит примерно 900—1000 тыс. МВт. В СССР пред­полагается сооружение АЭС в основном в европейской части, где проживает более 70% населения страны и по­требляется примерно 75% всей вырабатываемой элект­роэнергии. В перспективе будут строиться крупные АЭС суммарной мощностью 4—7 млн. кВт, с единичной мощ­ностью реакторов 1 —1,5 млн. кВт.

Научная и инженерная мысль сейчас усиленно рабо­тает над созданием нового источника энергии — термо­ядерного контролируемого синтеза, при котором исполь­зуются изотопы водорода, содержащиеся в морской воде. Энергия, выделяющаяся при термоядерной реакции на единицу топлива, превосходит энергию, получаемую при расщеплении (делении) тяжелых ядер урана или плутония. Количество энергии, выделяемой газообраз­ным дейтерием массой 1 кг в результате реакции синте­за, соответствует энергии, выделяемой при сжигании 10 тыс. т угля. Важно и то, что термоядерный синтез не дает радиоактивных отходов. Однако на пути к энерге­

тике будущего встало немало трудностей по удержанию термоядерной плазмы в реакторах.

В последние годы советские ученые разрабатывают наряду с другими методами метод лазерного термоядер­ного синтеза, который, возможно, разрешит эти трудно­сти. Лазерный метод термоядерной реакции усиленно разрабатывается также в США, Англии, во Франции, в ФРГ и Японии.

Всякого рода энергетические превращения можно свести к из­менению скоростей и взаимного расположения тел или частиц, со­ставляющих тело. Так, с изменением внутренней энергии тела изме­няются скорости движения частичек, составляющих это тело, и ме­няется его температура.

Молекула, как известно, состоит из атомов. Энергия молекулы слагается из кинетической энергии движения атомов и потенциаль­ной энергии взаимного расположения атомов. Изменение взаимного расположения атомов приводит к выделению или, наоборот, к по­глощению энергии, называемой химической. Положительная раз­ность между потенциальной энергией молекул, вступающих в реак­цию, и потенциальной энергией молекул, полученных в результате реакции, переходит в кинетическую энергию молекул, что означает повышение температуры. Например, повышение кинетической энер­гии молекул происходит при сжигании органического топлива. Из­влечь химическую энергию можно из сравнительно небольшого числа веществ, так как в основном вещества находятся в состоянии, соответствующем наименьшей потенциальной энергии молекул.

Если бы атом был неделим, то химическими превращениями исчерпывался бы весь перечень источников энергии. Атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Изменения во взаим­ном расположении нуклонов сопровождаются выделением или по­глощением ядерной энергии (чаще называемой атомной). Для того чтобы вызвать ядерную реакцию, нужно привести в соприкоснове­ние любые различные ядра, аналогично тому, как для осуществле­ния химической реакции следует привести в соприкосновение моле­кулы различных веществ. Однако осуществить экспериментально сближение ядер трудно из-за небольших их размеров по сравнению с размерами атомов и действия электростатических сил отталкива­ния между ядрами. Поэтому нужно одно из ядер настолько уско­рить, чтобы оно смогло преодолеть отталкивание ядра-мишени и приблизиться к бомбардируемому ядру на расстояние, примерно равное его радиусу.

Нуклоны в ядре испытывают специфические силы взаимного притяжения на расстояниях примерно 10~¹³ см. Между протонами действуют также кулоновские электростатические силы отталкива­ния. Ядерные силы притяжения быстро убывают с возрастанием расстояния между нуклонами. Кулоновские силы отталкивания убы­вают медленнее. Нуклоны, расположенные на поверхности ядра, испытывают притяжение только с одной стороны пространства, поэтому их потенциальная энергия больше, чем у нуклонов, распо­ложенных внутри ядра. Ядро стремится принять такую форму, при которой его потенциальная энергия минимальна, т. е. форму сферы.

Потенциальная энергия ядра определяется ядерными силами взаимодействия между нуклонами. Предположим, что ядро разде­лилось на две равные части. При этом притяжение нуклонов, рас­положенных внутри осколков, не изменится, следовательно, не из­менится внутренняя потенциальная энергия. Общая поверхность ядер увеличится и соответствующая этим ядрам потенциальная энергия возрастет. Следовательно, деление ядер должно сопровож­даться поглощением энергии, необходимой для увеличения поверх­ностной энергии. Кулоновская энергия отталкивания при делении ядер, напротив, уменьшится, так как число протонов в каждой из составных частей ядер меньше. Таким образом, при делении ядер существуют два противоположно действующих явления. Преобла­дание первого или второго явления определит, будет ли в резуль­тате реакции поглощение или выделение энергии. Можно найти такие «пограничные» условия, при которых деление ядер не сопро­вождается ни поглощением, ни выделением энергии. Количествен­ные показатели увеличения поверхностной энергии при делении ядер или уменьшения кулоновской энергии отталкивания зависят от количества протонов и нейтронов в ядре, или, другими словами, от «тяжести» ядра. Как показывают расчеты и опыты, деление ядер сопровождается выделением энергии при числе нуклонов в ядре Л >100, т. е. при делении тяжелых ядер.

Для легких ядер реакция деления протекает с затратой энергии. Следовательно, обратное направление реакции слияния (синтеза) ядер должно приводить к «выигрышу» в энергии, так как потен­циальная энергия нуклонов исходных ядер больше потенциальной энергии нуклонов синтезированного, ядра. Легкие элементы, так же как и тяжелые, могут рассматриваться в качестве ядерного «горю­чего».

Для осуществления реакции слияния ядер необходимо прибли­зить ядра настолько, чтобы между нуклонами действовали значи­тельные ядерные силы притяжения (расстояние порядка 10^-13 см). Но на таких малых расстояниях действуют большие силы кулонов- ского отталкивания, и для их преодоления ядра должны иметь зна­чительную кинетическую энергию. Условия, благоприятные для возникновения реакции синтеза, можно получить, нагревая вещество до такой температуры, при которой оно было бы полностью иони­зировано, т. е. отсутствовали бы электронные оболочки. Кроме того, температура вещества должна быть достаточной для сообщения ядрам кинетической энергии в несколько десятков килоэлектрон­вольт. Расчеты показывают, что температуру необходимо довести до нескольких миллионов градусов. Отсюда и название реакции — «термоядерная». Такие реакции будут энергетически выгодными, если температура плазмы будет доведена до нескольких сотен мил­лионов градусов. Столь высокие температуры характерны для внут­ренних областей Солнца и звезд, где в течение многих миллиардов лет происходят термоядерные реакции.

Основная трудность в осуществлении термоядерной реакции состоит в том, что при нагревании плазмы в термоядерном реакто­ре разлетаются быстрые частицы и наступает такой момент, когда подведение энергии не приводит к дальнейшему повышению темпе­ратуры плазмы.

Нет сомнений в том, что в ближайшем будущем будет решена проблема управляемой термоядерной реакции. Человечество полу­чит дешевый и практически неисчерпаемый источник энергии. За­пасов одного только дейтерия, содержащегося в морях и океанах мира, хватит для выработки в течение миллиарда лет в 1000 раз большего количества энергии, чем то, которое дают все электростан­ции мира.

Прочие энергоресурсы. Громадные запасы энерго­ресурсов, таких, как энергия ветра, Солнца, геотермаль­ная энергия, энергия, обусловленная разностью темпе­ратур в глубинах океанов и на поверхности, и т. д., ис­пользуются совершенно незначительно.

Еще Данте, наблюдая окружающие человека в при­роде энергетические превращения, писал:

Пусть не напрасно греет и светит солнце Пусть не напрасно течет вода и бьются волны

о берег.

Надо отнять у них бесцельно Расточаемые дары природы И покорить их, связав их по своему

желанию.

Энергия ветра на земном шаре оценивается в 175—219 тыс. Твт-ч в год, при этом развиваемая им мощность достигает (20—25) 10⁹ кВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только 5% от этой величины; в настоящее же время используется значительно меньше. Применять ветер, т. е. энергию движения воздуха, человек начал еще в глубо­кой древности. Задолго до нашей эры фииикяне, егип­тяне, греки и римляне приводили в движение парусные корабли с помощью ветра. Согласно греческой мифоло­гии, бог Эол по своему желанию выпускал ветры, за­ключенные в пещере. Энергия ветра обеспечила откры­тие Америки, так как именно благодаря постоянным вет­рам, дующим в северном полушарии с северо-востока на юго-запад, Колумбу удалось достичь берегов Аме­рики.

Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северно­го и южного полушарий образуют систему пассатов. Изучением природы возникновения постоянных воздушных течений занимались многие выдающиеся исследователи. Астроном Галилей впервые точно описал воздушные течения в северном и южном полушариях и объяснил их возникновение в 1686 г. По его предположению, в районе экватора происходит более интенсивное нагревание воздуха, который устремляется вверх, а со стороны севера и юга подтекают более холодные потоки воздуха. Как было впоследствии показано, такой эффект существует, но он играет вспомогательную роль по сравнению с эффектом вращения Земли. Астроном Галлей в 1735 г. указал, что вращение Земли оказывает главное влияние на образо­вание пассатов. Заслуга в разработке теории зональных движений слоев воздуха принадлежит Гельмгольцу. Он показал, что общая циркуляция атмосферы происходит главным образом из-за враще­ния Земли, при котором под действием центробежной силы инер­ции воздушные массы отбрасываются в районе экватора в верхние слои атмосферы. На место ушедших масс воздуха с севера и юга подтекают новые воздушные слои. Следует сказать, что теория Гельмгольца не объясняет полностью циркуляцию атмосферы. На­пример, в ней не нашел отражения тот факт, что постоянные мор­ские течения увлекают с собой воздушные массы. Для полного представления об атмосферной циркуляции потребуется проведение более' глубоких экспериментальных и теоретических исследований.

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 нагреваниями воды и суши вслед­ствие их различной теплоемкости.

При использовании энергии ветра в современных условиях стремились учесть опыт тех стран, в которых ветряные двигатели издавна широко применялись, осо­бенно в Дании и Голландии — классических странах ветряных мельниц.

Многие видные советские исследователи, такие, как проф. Н. Е. Жуковский и акад. С. А. Чаплыгин, внесли большой вклад в развитие ветряных двигателей. Однако опыт применения ветряных двигателей для электрифи­кации в сельской местности в нашей стране не дал пока положительных результатов в связи с неравномерностью возможного получения энергии, необходимостью регули­рования ветроустановок для стабилизации параметров энергии и рядом других затруднений.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источ­ник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность эквивалентен условному топливу массой 1,2 • 10¹⁴ т. Солнце, как и дру­гие звезды, является раскаленным газом. В его составе 82% водорода, 17% гелия, остальные элементы составля­ют около 1%. Внутри Солнца существует область высо­кого давления, где температура достигает 15—20 млн. град. На Солнце имеется в незначительном количестве кислород и поэтому процессы горения, понимаемые в обычном смысле, не протекают сколько-нибудь заметно. 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.

Плотность солнечного излучения на внешней границе атмосферы составляет 1,39 кВт/м². На поверхность круга с диаметром, равным диаметру земного шара, приходит­ся мощность 178 тыс. ТВт, что в 20 раз превышает суммарную мощность энергетических установок мира (8—9 ТВт). Однако до земной поверхности доходит только часть этой мощности вследствие поглощения и отражения ее атмосферой. В наиболее благоприятных районах пиковая удельная мощность солнечного излу­чения на поверхности Земли равна 1 кВт/м², в то время как средняя удельная мощность составляет 0,25 кВт/м².

Солнечную энергию можно успешно преобразовывать в тепловую энергию. Максимальные температуры рабо­чего тела зависят от концентрации солнечной энергии и оказывается близкими к 5000°С, однако такие темпера­туры не требуются для выполнения полезной работы. В солнечной печи в Одейо (Франция) получены темпе­ратуры около 3000°С.

Научные исследования, проведенные в последние годы в области использования энергии Солнца, позволи­ли повысить КПД гелиотермических систем и усовер­шенствовать их проекты. Низкотемпературная солнечная энергоустановка представляет собой плоский гелиопри­емник, использующий в качестве теплоносителя воду или воздух. Установки могут содержать также теплоаккуму- ляторы в виде горных пород и использоваться для отоп­ления зданий, нагревания воды и кондиционирования воздуха. Солнечные водонагревательные системы имеют КПД, равный 30—40%, и стоят 100—200 долл/м² без затрат на установку.

Лучистую энергию Солнца можно использовать на гелиотермических электростанциях, превращающих эту энергию в тепловую энергию рабочего тела, а затем в электричество. Гелиотермические электростанции можно создавать мощностью до нескольких сот мегаватт. В на­стоящее время в США строятся электростанции мощно­стью до 5 МВт.

Стоимость производства электроэнергии в современ­ных условиях солнечными элементами в 100—200 раз больше стоимости производства электроэнергии обычны­ми методами.

В СССР построено около 30 экспериментальных объектов с системами солнечного теплоснабжения. Раз­рабатываются системы солнечного кондиционирования воздуха. Перспективно использование гелиотермиче-

ских установок для различных сельскохозяйственных целей.

В историческом отношении одним из первых интерес­ных применений энергии солнечных лучей явилось соз­дание группой французских инженеров установки, де­монстрировавшейся в Париже в 1900 г. В этой установке двигатель работал за счет лучистой энергии Солнца и приводил в движение небольшой типографский станок. Однако многочисленные попытки получить электриче­скую энергию в промышленных масштабах за счет энер­гии Солнца не приводили к успеху.

Еще в 1821 г. была установлена возможность полу­чения ЭДС в цепи, образованной двумя разнородными веществами, спаи которых находятся при разной темпе­ратуре; было обнаружено, что величина ЭДС прямо пропорциональна разности температур:

Е=а (7\ — Т₂).

Коэффициент а зависит от материала. Позже Пельтье обнаружил обратное явление: при пропускании тока че­рез спай двух металлов в последнем выделяется или поглощается теплота, значение которой пропорциональ­но току.

Длительное время эффект появления термоэлектро­движущей ЭДС использовался только для измерения температуры. Применение этого эффекта для выработки электроэнергии было невыгодным из-за низких значений КПД и коэффициента а. Положение резко изменилось с появлением полупроводников, когда создалась воз­можность реально использовать поток солнечной энер­гии, падающий на Землю. Как писал по этому поводу акад. А. Ф. Иоффе, Солнце, в течение тысячелетий быв­шее проклятием пустыни, сделается ее благословением.

Недавние усовершенствования в технологии произ­водства фотопреобразователей вызвали к жизни новые предложения по использованию солнечной энергии в широких масштабах. Среди них — дом с солнечным энергоснабжением, центральная солнечная станция и как более отдаленная перспектива крупные орбитальные электростанции, передающие энергию на Землю. В слу­чае применения фотопреобразователей на Земле должны предусматриваться средства для аккумуляции энергии, так как вследствие вращения нашей планеты и измен­чивости облачного покрова солнечная энергия поступает с перерывами. На космические солнечные электростан­ции солнечная .энергия должна поступать регулярно. Для сооружения таких станций потребуется значительно снизить стоимость доставки компонентов станций на орбиту. Технология производства фотопреобразователей уже достаточно разработана. КПД солнечных батарей достигает 20%. Можно заметить, что солнечные батареи широко применяются на космических кораблях, где вопросы экономии не имеют первостепенного значения.

На планете имеются значительные запасы геотер­мальной энергии. Эта энергия практически неис­черпаема и ее использование весьма перспективно. Зем­ля непрерывно отдает в мировое пространство теплоту, которая постоянно восполняется за счет распада радиоактивных элементов.

Термальные воды широко применяются для отопле­ния и горячего водоснабжения в ряде стран. Так, сто­лица Исландии Рейкьявик почти полностью обогревает­ся теплотой подземных источников. В больших масшта­бах термальные воды для теплоснабжения используют в Австралии, Новой Зеландии, Италии.

Эксплуатация первой геотермальной электростанции была начата в Италии в 1904 г. Интерес к таким стан­циям возрос в последние годы в связи с резким увеличе­нием цен на ископаемое топливо на мировом рынке.

Практическое использование теплоты Земли зависит от глубины залегания горячих источников. Чтобы объяс­нить природу геотермальных явлений, рассмотрим наи­более интересное из них — извержение вулкана. По мере увеличения глубины земной коры, или литосферы, повы­шается температура. На глубине 40 км температура, равна 1200°С. При этой температуре и атмосферном давлении должно происходить плавление пород. Однако в земных недрах на такой глубине повсеместно плавле­ния не происходит из-за большого давления — порядка 1210 МПа.

В тех местах, где давление, обусловленное весом покрывающих пород, снято или значительно уменьшено, происходит плавление. Подобные явления наблюдаются при перемещениях земной коры, когда наряду с образо­ванием складок при сжатиях образуются трещины при растяжениях. Расплавившаяся в трещинах масса может достигать поверхности Земли и выходить в виде лавы, горячих газов и водяного пара. Иногда такая масса, поднимаясь по трещинам и разломам, не доходит до поверхности Земли вследствие расширения и уменьше­ния давления. При этом нагретые теплотой больших глубин породы медленно остывают в течение десятков и сотен тысяч лет.

Передача теплоты от разогретых пород происходит за счет теплопроводности покрывающих пород и конвек­ции выделяющихся из массы горячих газов и водяного пара. Горячие газы и пар, поднимаясь по трещинам к поверхности Земли, могут встретить воду, которую они нагревают. Нагретая вода выходит на поверхность в виде горячих источников. Энергию нагретой воды можно использовать на геотермальных электростанциях. Объем выходящей на поверхность воды с течением времени меняется.

Анализ работы геотермальных электростанций в Новой Зеландии и Италии показал, что со временем падают давление и температура в скважине и значитель­но оседает поверхность вокруг скважины на площади примерно в 6 км², а производительность скважин убы­вает по экспоненциальному закону. На базе геотермаль­ных источников в Новой Зеландии и Италии работают электростанции, вырабатывающие 40 и 6% электроэнер­гии соответственно.

В последнее время рассматриваются проекты созда­ния искусственных энергетических плантаций, на кото­рых предполагается выращивание биомассы и последую­щее использование биологической энергии растений.

Мировая продукция фотосинтеза лесов оценивается в 50 ТВт, что примерно в 10 раз больше современного объема добычи нефти и природного газа. Солнечная энергия, преобразованная в химическую энергию древе­сины в процессе жизнедеятельности растений до истори­чески недавнего времени широко использовалась чело­веком. Предполагается, что топливо на энергетических плантациях будет производиться по ценам примерно 25 долл/т, что ниже современных мировых цен на нефть.

Для получения тепловой мощности, равной 100 МВт, потребуется примерно 50 м² площади энергетических плантаций.

Химическая энергия водорода приобрета­ет в последнее время большое значение. Запасы водо­рода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты, так как он имеется везде и может быть исполь­зован повторно неограниченное число раз. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды; при

его сжигании образуется вода, не загрязняющая окру­жающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

В настоящее время водород в основном получают из природного газа, в ближайшем будущем его будут про­изводить в процессе газификации угля. Процесс электро­лиза, используемый для получения водорода из-за промежуточной стадии преобразования теплоты в элект­роэнергию, имеет низкий общий КПД и неэкономичен. Этот процесс можно активизировать использованием более высоких давлений и температур.

Широкое применение водородного топлива может решить три наиболее актуальные проблемы: уменьшить потребление органического и ядерного топлива, удов­летворить постоянно растущую потребность в энергии и снизить загрязнение окружающей среды.

Соотношение между производством энергоресурсов и их потреб­лением. Проследив по группам стран и районов такие соотношения, можно наглядно представить себе картину экспорта и импорта энергетических ресурсов. Примерно 75% всего мирового потребле­ния коммерческих энергоресурсов приходится на 10 стран: США, СССР, Великобританию, Японию, ФРГ, Канаду, Францию, Италию, ГДР, ЧССР. Из них только СССР имеет положительный топливный баланс, т. е. полностью обеспечивает свои потребности за счет собственных коммерческих энергоресурсов и продает топливо дру­гим странам. Остальные страны, как правило, покрывают спрос на энергоресурсы за счет импорта. Причем потребление ими коммер­ческих энергоресурсов примерно в 5—20 раз превышает их произ­водство.

Для каждой страны вопросы импорта топлива имеют большое значение для внешней политики и того положения, которое зани­мает эта страна в международной торговле, так как при значи­тельных объемах экспортируемой готовой продукции значительная часть валютных затрат на импорт энергоресурсов возвращается.

Северная Америка, Западная Европа и страны Дальнего Во­стока находятся в большой зависимости от импорта энергоресурсов из стран Среднего и Ближнего Востока, которые, экспортируя огромное количество энергоресурсов, потребляют относительно не­большое их количество.

Современное развитие техники и технологии открыва­ет заманчивые перспективы использования в практиче­ских целях возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, морских приливов, лучистая энергия Солнца, получаемая на Земле и в космическом простран­стве, энергия растительных энергетических плантаций и т. п. Ориентация научных и практических работ на та­кие источники энергии позволит уменьшить потребление органического топлива.

СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

( 2.1. ЗНАЧЕНИЕ ЗАКОНОВ СОХРАНЕНИЯ МАТЕРИИ <~у

И ЭНЕРГИИ ПРИ РАССМОТРЕНИИ СПОСОБОВ с. ч ^

ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Современная наука и техника основываются на фун­даментальных законах сохранения материи и энергии. Понимание этих законов, необходимо для решения акту­альных задач повышения эффективности преобразова­ния и потребления энергии, разработки новых способов получения электроэнергии и т. д.

Закон сохранения материи. Трудно назвать эпоху, в которую этот закон был открыт. Первые представления

о сохранении материи складывались задолго до нашей эры в древней индийской философии, откуда они, види­мо, проникли в Древнюю Грецию. Еще за 450 лет до н. э. древнегреческий философ Эмпедокл утверждал, что ничто не возникает из ничего и ничто не может быть уничтожено. Идея о сохраняемости вещества была раз­вита в Древней Греции в связи с учением об атомном строении материи.

Многие выдающиеся ученые, мыслители древности и более позднего времени — средневековья и эпохи Воз­рождения— в различной форме высказывали идеи о сохранении материи. Были даже попытки опытным пу­тем доказать справедливость закона сохранения массы.

Экспериментальное подтверждение- закона сохране­ния массы получало тем большую доказательную силу, чем выше достигалась точность определения масс¹.

Закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии открыт в середине XIX в. О значении законов сохране­ния материи и энергии физик Планк во введении к своей книге «Принцип сохранения энергии» писал, что имеются два закона, которые служат фундаментом для современ-

ного здания точных естественных наук: принцип сохра­нения материи и принцип сохранения энергии.

Закон сохранения энергии в учении о тепловых превращениях получил название первого принципа тер­модинамики. Рассмотрим действие его на примере некоторой системы С, совершающей механическую рабо­ту за счет теплоты. Пусть температура системы С во всех точках одинакова. При подведении теплоты к систе­ме ее энергия увеличивается. Если воздействие на систе­му сводится только к подведению теплоты, то увеличе­ние энергии системы происходит на величину AU=Q. Система может совершить работу за счет уменьшения своей энергии и понижения температуры. Если одновре­менно происходит подведение к системе теплоты и со­вершение системой работы А, то изменение энергии системы происходит на величину AU'=Q—А. Если энергия системы не изменяется, то A = Q.

Это уравнение в количественной форме выражает первый принцип термодинамики, состоящий в том, что для получения работы без изменения энергии к системе необходимо подводить теплоту. Поэтому невозможно создать двигатель, который мог бы совершать работу, не получая теплоты, т. е. невозможно создать вечный дви­гатель первого рода.

Можно, не нарушая первого принципа термодинами­ки, умозрительно представить работу двигателя, в кото­ром теплота передается от менее нагретого тела к более нагретому и при этом работа не совершается. Такие дви­гатели получили название вечных двигателей второго рода. Многовековой опыт человечества показал, что создание вечных двигателей второго рода, так же как и вечных двигателей первого рода, невозможно.

В термодинамике рассматриваются равновесные состояния тел, температура которых в занимаемом объ­еме, а также давление, приложенное ко всей поверхности тела, одинаковы.

На современных мощных ТЭС превращение теплоты в работу происходит в циклах, где в качестве рабочего тела используется водяной пар.

Термодинамический цикл преобразования теплоты в работу с помощью водяного пара был предложен в сере­дине XIX в. шотландским инж. У. Ренкиным. Принципи­альная технологическая схема ТЭС, работающей по циклу Ренкина (рис. 2.1), состоит из парогенератора 1, турбины 2, электрического генератора 3, конденсатора 4

и насоса 5. В парогенераторе происходит сжигание топ­лива, за счет получаемой теплоты вода нагревается и испаряется. Этому процессу на диаграмме цикла Рен- кина соответствует участок АВ увеличения объема при постоянном давлении. Пар, получаемый в парогенерато­ре, направляется в турбину, где происходит его расши­рение и превращение внутренней энергии пара в механи-

Рис. 2.2. Схема идеаль­ного цикла Ренкина па­росиловой установки:

А

Рис. 2.1. Технологи­ческая схема тепло­вой электростанции, работающей по цик­лу Ренкина:

1 — парогенератор; 2 — турбина; 3 — электриче­ский генератор; 4 — кон­денсатор; 5 — насос; ЛВС — пар; CDA — кон­денсат

В — подвод теплоты ра­бочему телу в парогенера­торе, ВС — преобразование энергии пара в механиче­скую энергию в турбине; CD — охлаждение пара в конденсаторе; DA — подача насосом конденсата в паро­генератор

ческую, т. е. в турбине совершается полезная работа. Процесс расширения пара в турбине в идеальном цикле Ренкина (рис. 2.2) происходит по адиабате ВС. Далее отработанный в турбине пар конденсируется и из кон­денсатора охлаждающей водой отводится теплота. Кон­денсации пара соответствует участок CD. Конденсат питательным насосом подается в парогенератор, что со­провождается возрастанием давления воды при постоян­ном объеме, так как вода несжимаема. Этому процессу соответствует участок DA.

КПД идеального цикла Ренкина, как и любой тепло­вой машины, характеризуется отношением теплоты, за­траченной на работу, ко всей полученной от нагревате­ля теплоте:

AT=(Qi — Q₂)/Qj,

где Qi — количество теплоты, подведенное к рабочему телу в парогенераторе; Q2 — количество теплоты, отве­денного охлаждающей водой в конденсаторе.

Эксергия. При анализе свойств тепловых машин обычно составляют энергетический баланс, иногда назы­ваемый тепловым балансом. Например, при рассмотре­нии тепловых станций приводится баланс теплоты, в ко­тором, как правило, за 100% принимается теплота, получаемая при сжигании органического топлива, и далее указываются составляющие расхода этой теплоты на выработку электроэнергии, потери в различных эле­ментах: паропроводах, конденсаторах, турбинах и т. д. При этом необходимо учитывать качество теплоты, ха­рактеризуемое эксергией — максимальной способностью материи к совершению работы в таком процессе, конеч­ное состояние которого определяется условиями термо­динамического равновесия с окружающей средой.

Количественно эксергия определяется отношением

Эк=(Т i Т 2 )/Т 1,

где Т1—температура теплоносителя, К; Тг — температу­ра окружающей среды, К.

Работа А, кГм, которую можно получить за счет некоторого количества теплоты Q, связана с эксергией выражением

A=427Q3k.

Следовательно, качество теплоты, определяемое ее работоспособностью, отражается эксергией. Уменьше­ние потерь теплоты наиболее эффективно там, где эксер­гия больше. Очевидно, что чем ближе температура рабочего тела к температуре окружающей среды, тем практическая пригодность тепловой энергии ниже. В конденсаторах ТЭС температура рабочего тела близ­ка к температуре окружающей среды, поэтому возника­ющие в них большие потери энергии отражают потери в других звеньях цепочки преобразований энергии и ука­зывают на несовершенство тепловых процессов.

Качество энергии в конденсаторах низкое, его сни­жение происходит на предшествующих этапах преобра­зования энергии. Таким образом, тепловой баланс не позволяет выявить элементы тепловой установки, в ко­торых протекают процессы, снижающие качество энергии.

Окружающая среда содержит, по существу, неогра­ниченное количество теплоты, однако ее качество, опре­деляемое практической пригодностью, в соответствии со вторым законом термодинамики равно нулю. Для оцен-

ки практической пригодности энергии, содержащейся в материи, важно знать не только количество эксергии, но и ее концентрацию, т. е. отношение эксергии к объему термодинамического агента. Чем выше концентрация эксергии, тем лучше показатели сооружения и эксплуа­тации энергетических установок.

КПД преобразователей энергии, определенные по ис­пользованию вещества. Оценка запасов энергоресурсов и показателей их добычи определяется эффективностью их полезного употребления. Усовершенствование техни­ческих установок, позволяющее более полно (т. е. с большим КПД) использовать первичные энергоресурсы, означает, что для получения одного и того же количества энергии требуется меньшее количество первичных ресур­сов. Определяя КПД, вспомним, что согласно теории относительности, созданной А. Эйнштейном, масса тела зависит от скорости движения его:

m=mjV 1 —{vie)²,

где m₀ — масса покоя, т. е. масса тела при скорости, рав­ной нулю (о = 0); с=3-10¹⁰ см/с — скорость света.

Если скорость движения тела равна нулю, то т=т₀. При увеличении скорости масса тела увеличивается, и в пределе, когда тело движется со скоростью света (v/c= 1), его масса равна бесконечности. При этом ни­какие конечные силы не в состоянии изменить траекто­рию движения тела.

А. Эйнштейн показал, что полная энергия тела и его масса связаны соотношением, имеющим универсальное значение:

Е—тс².

В соответствии с этим соотношением энергия, отве­чающая массе в 1 кг, равна 25 ТВ-ч, что значительно превышает полную потребность в электрической энергии всего населения мира в течение суток.

В результате аннигиляции, происходящей при столк­новении электрона с позитроном, происходит уничтоже­ние этих частиц и порождение двух у-квантов с энергией 0,51 МэВ каждый, что в точности равно энергии покоя электрона и позитрона — т₀с².

Если использование первичных ресурсов оценить несколько необычно, а именно учитывая их энергию, со­держащуюся в массе вещества, согласно приведенному соотношению, то придется констатировать, что преоб-

КПД по ве­ществу, во­влеченному в энергети­ческий про­цесс, %

0,19-10-¹²

0,2-10-⁵

Уголь — 6400 т Нефть — 4600 м³ Газ — 536 000 м³

Требуемое количе­ство энергоносите­лей для выработки 33,4 ГВт-ч (120-10¹² Дж) электроэнергии

Вода — 700Х Х10⁶ т

КПД по ве­ществу, во­влеченному в энергети­ческий про­цесс, %

Требуемое количе­ство энергоносите­лей для выработки 33,4 ГВт • ч (120 • 10^1! Дж) электрвэнергии

Тип станции (мощность каждой станции 1 ГВт)

АЭС

ю-

■1,5-

Уран ■ 2,0 КГ

разование этих первичных ресурсов в электроэнергию на станциях различных типов (табл. 2.1) происходит с низким КПД. При этом наибольший КПД соответствует АЭС, а наименьший — ГЭС. Значения расхода энергоно­сителей и КПД, приведенные в табл. 2.1, определены для электростанций одинаковой мощности (1 ГВт), выраба­тывающих за сутки 24 ГВт-ч (86,4-10¹² Дж) энергии.

Расчет КПД по веществу можно производить следую­щим образом. Через турбины ГЭС мощностью 1 ГВт для получения энергии 120-10¹² Дж необходимо пропустить 700-10⁶ т воды. Эта масса воды обладает внутренней энергией 630-10²⁶ Дж. Следовательно, КПД по веществу г]= 120-10¹²/(630-10²⁶) 100% =0,19-10^-12. Аналогично на­ходится КПД для ТЭС: г) = 0,2-10^—5 (см. табл. 2.1). На АЭС для получения этой же энергии необходимо только 1,5—2 кг обогащенного урана, при этом КПД оказы­вается равным 0,01. Однако следует учитывать, что при обогащении урановой руды из 1000 кг примерно 900 кг составят примеси.

Вопрос об увеличении КПД процессов получения энергии является актуальным. Увеличение КПД очень важно для нашей страны, где происходит быстрый рост

энергетики. Большое значение уменьшения потерь и повышения КПД не снижается тем обстоятельством, что СССР является одной из самых богатых стран мира по геологическим запасам топлива, которые по отношению к мировым составляют: по углю —более 50%, по газу — 40%, по торфу—60%.

2. ТЕПЛОВЫЕ КОНДЕНСАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ

Тепловые конденсационные электрические станции преобразовывают энергию органического топлива внача­ле в механическую, а затем в электрическую. Механиче­скую энергию упорядоченного вращения вала получают с помощью тепловых двигателей, преобразующих энер­гию неупорядоченного движения молекул пара или газа.

Все тепловые двигатели подразделяются: по виду используемого рабочего тела — пар или газ;

по способу преобразования тепловой энергии в механическую — поршневой или ротор­ный (табл. 2.2). В поршневом способе для преобразова­ния используется потенциальная энергия рабочего тела,

Таблица 2.2

Способ работы	Рабочее тело
	пар	газ
Поршневой	Паровая машина	Двигатель внутрен­
		него сгорания
Роторный	Паровая турбина	Газовая турбина

получаемая при его нагревании. В роторном способе используется кинетическая энергия движущихся с боль­шой скоростью частиц рабочего тела.

Паровая машина была единственным двигателем, используемым в промышленности и на транспорте в XVIII и XIX вв. В настоящее время она практически не встречается, а широко применявшиеся в прошлом паро­возы и пароходы почти полностью сняты с производства.

В настоящее время наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, используе­

мые на автомобильном транспорте. В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания находят ограниченное применение.

На современных мощных ТЭС устанавливают паро­вые турбины. Первая паровая турбина, предназначенная для вращения электрического трехфазного генератора, была установлена на Эльберфельдской электростанции в 1899 г. С тех пор началось развитие мощных паротур­бинных электростанций.

В качестве тепловых двигателей на электрических станциях используют также газовые турбины.

Для повышения эффективности работы тепловых двигателей стремятся максимально увеличить темпера­туру рабочего тела и его давление до значений, прием­лемых по условиям механической прочности конструк­ционных материалов.

В

Рис. 2.3. Схема преобразования энергии на тепловых станциях

современных паровых установках, составляющих основу энергетики, используют пар при температуре около 600°С и давлении 30 МПа. Для охлаждения рабо­чего тела (пара) обычно применяют холодную воду, которая понижает его температуру до 30—

40°С. При этом давле­ние пара резко падает.

На рис. 2.3 схемати­чески показаны стадии преобразования пер­вичной энергии органи­ческого топлива в элек­трическую.

Основные процессы теплового цикла паро­вых установок, как бы­ло показано ранее, про­исходят в следующих элементах: в парогенераторах — подвод теплоты, в турбинах — расширение пара, в кон­денсаторах— отвод теплоты, в турбинах — расширение пара, в конденсаторах — охлаждение. С помощью насо­сов высокого давления производится сжатие, при кото­ром конденсат нагнетается в парогенератор.

Схема тепловой станции, приведенная на рис. 2.1, более подробно показана на рис. 2.4 и 2.5. Работа стан­ции происходит следующим образом. Из бункера 1 (рис. 2.4) уголь поступает в дробильную установку 2, где он превращается в пыль. Угольная пыль вместе с

воздухом из воздуходувки 3' подается в топку 3. Тепло­та, получаемая при сжигании угля, используется для преобразования воды в пар в трубах 4. Вода по змееви­ку 5 накачивается насосом 14 в барабан котла 5'. Пар, нагретый потоком горячих газов, уходящих в трубу 6, при высокой температуре и высоком давлении поступает сначала в первую ступень турбины 7, а затем во вторую ступень 8. В турбине энергия пара преобразуется в ме­ханическую энергию вращения ротора генератора 9, вы­рабатывающего электрическую энергию. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 13, превращается в воду, которая насосом 14 подается в котел, и затем цикл превращения воды повторяется. Охлаждение пара в конденсаторе производится с помощью воды, забирае­мой из водоема (пруда или реки) 11, накачиваемой на­сосом 12 и вновь выбрасываемой в водоем. Продукты сгорания угля проходят через очистительные сооружения (не показанные на рис. 2.4), где выделяются зола, твер­дые частички несгоревшего угля и прочие примеси, а оставшиеся газы через трубу 6 выбрасываются в атмос­феру. Электрическая энергия, получаемая от статора генератора, отдается в электрическую систему через выводы 10.

На рис. 2.5 показана общая схема получения теплоты и преобразования ее в электрическую энергию.

Генератор

Выдача электра' энергии

Подача

воздуха

Наступление угля^ | Склады \ угля

Мельница

Наступление продук- , пкв сжигания угля L>

Подача угольной пыли

Иосшуплет

пара

Котельный

агрегат

Тур5ина

Рис. 2.5. Схема технологического процесса тепловой конденсационной электростанции

Рассмотрим дополнительно работу одного из основ­ных элементов станции — парогенератора, в котором получают пар для питания станции. Современный паро­генератор представляет собой сложное техническое сооружение больших размеров, высота которого соизме­рима с высотой пятиэтажного дома. В топке парогенера­тора сжигается превращенный в мелкую пыль уголь, газ

или распыленная нефть при температуре 1500—2000°С. Для наиболее полного сжигания топлива с помощью вентилятора в больших количествах подается подогре­тый воздух. Появляющаяся в процессе сгорания топлива теплота нагревает воду, превращает ее в пар и увеличи­вает его температуру и давление до расчетных значений. Использованные горячие газы дымососами вытягиваются из парогенератора и подаются в очистительные устройст­ва, а затем направляются в дымовую трубу. Вода, пода­ваемая в парогенератор, предварительно очищается от примесей, содержание которых допускается в меньшем количестве, чем в питьевой воде. Очистка воды произво­дится в специальных устройствах — питателях.

По конструктивному выполнению парогенераторы подразделяют на барабанные и прямоточные.

В барабанном парогенераторе (рис. 2.6) имеется стальной барабан 3, в нижней части которого

Рис. 2.6. Схема работы ба- Рис. 2.7. Схема работы пря- рабанного парогенератора моточного парогенератора

находится вода, а в верхней части — пар. По циркуляци­онной трубе 2 вода поступает в трубки экрана 1, покры­вающие стенки топки 7. Трубки экрана выполняют стальными, небольшого диаметра (примерно 40 мм сна­ружи и 32 мм внутри), для того чтобы они смогли вы­держать большое давление пара. В крупном парогенера­торе каждый час испаряются сотни тонн воды и поэтому трубки имеют общую длину до 50 км.

Чтобы повысить эффективность работы парогенерато-

ра, вода перед подачей в барабан нагревается в эконо­майзере 5, а воздух перед подачей в топку подогревается горячими газами в воздухоподогревателе 6. Выходящий из барабана пар дополнительно нагревается в паропере­гревателе 4.

В барабанном парогенераторе происходит естествен­ная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разных плотностей. С увеличением температуры и дав­ления пара уменьшается разность в плотностях воды и пара, что ухудшает их циркуляцию.

В прямоточном парогенераторе барабана нет. Циркуляция воды и пара создается насосами (рис. 2.7). Вода через водоподогреватель 3 поступает в трубы 1, расположенные в топке, превращается в пар, который затем подается в пароперегреватель 2 и далее в турбину. В воздухоподогревателе 4 происходит подо­грев воздуха перед подачей его в топку. Прямоточные парогенераторы требуют качественного регулирования подачи воды. Кроме того, к питательной воде, используе­мой в парогенераторах этого типа, предъявляют очень высокие требования в отношении ее химической чистоты.

П

Рис. 2.8. Схема работы активной турбины

рямоточные котлы получили широкое распростране­ние, так как они дешевле ба­рабанных. У барабанных пароге­нераторов при высоких давлени­ях (свыше 20 МПа) нарушается естественная циркуляция воды и пара.

Прямоточные парогенераторы стали применяться в нашей стра­не в 30-е годы по инициативе Л. К- Рамзина, который разрабо­тал ряд оригинальных конструк­ций котлов.

Турбины. Полученный в паро­генераторах перегретый пар при температуре ~600°С и давлении 30 МПа по паропроводам переда­ется в сопла. Сопла предназначе­ны для преобразования внутренней энергии пара в ки­нетическую энергию упорядоченного движения молекул.

Если перед входом в сопло пар имел некоторую на­чальную скорость Со и начальное давление р\ (рис. 2.8), то после выхода из сопла в результате расширения пара происходит увеличение его скорости до значения С\ и

уменьшение давления до значения р2. Температура пара также при этом значительно понижается.

После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турбины. Если турбина активная, то между ее рабочими лопатками расширения пара не про­исходит, следовательно, давление пара не меняется (рис. 2.8). Абсолютная скорость движения пара умень­шается от С[ до С2 вследствие вращения турбины со скоростью V.

Конструктивно обычно турбина выполняется в виде нескольких ступеней, каждая из которых состоит из одного венца сопловых лопаток и одного венца рабочих лопаток. Сопловые и рабочие лопатки закреплены на окружностях одинакового радиуса.

У реактивной турбины или ступени происхо­дит расширение пара, проходящего через каналы рабо­чих лопаток. В зависимости от показателей расширения

п ара в каналах турбины характе­ризуют ступенями реактивности.

В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми, причем в одной и той же турбине могут быть как активные, так и реактивные (с различной степе­нью реактивности) ступени.

Изменение параметров пара в реактивной ступени турбины по­казано на рис. 2.9. В соплах тур- p_t бины происходит частичное рас- — ширение пара до промежуточного давления р/. Дальнейшее расши- Рис. 2.9. Схема работы рение пара до давления р₂ проис- реактивнои турбины ходит в каналах между лопатка­ми. Абсолютная скорость пара в сопле увеличивается до значения с/, а в каналах между лопатками уменьшается из-за вращения лопаток до зна­чения с₂.

Общий вид лопаток мощной паровой турбины пока­зан на рис. 2.10.

В реактивных турбинах помимо центробежных сил, возникающих при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют реактивные силы, вызванные рас­ширением пара.

Появление реактивной силы можно показать на сле­дующем примере. Пусть в бак, установленный на тележ-

ке ^г(рис. 2.11), подведен пар под давлением, который в положении I равномерно действует на все стенки. Если убрать пробку, то равновесие бака сразу же нарушится. На правую стенку будет действовать неизменная сила, а сила, действующая на левую стенку, резко уменьшит­

Рис. 2.10. Общий вид лопаток паровой турбины

Р еактив-

ная сила

УУУ У/У/.

Рис. 2.11. Схема опыта, поясняющего возникновение реак­тивной силы

ся, так как давление окружающей среды меньше, чем давление в баке. Пар устремится из бака, а тележка под действием реактивной силы начнет двигаться вправо (положение II).

Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направ­ляют для охлаждения и конденсации в специальное уст-

ройство, называемое конденсатором. Конденсатор пред­ставляет собой цилиндрический корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок. По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конден­сатор обычно при температуре 10—15°С и выходящая из него при температуре 20—25°С. Пар обтекает трубки сверху вниз, конденсируется и снизу удаляется. Давле­ние в конденсаторе поддерживается в пределах 3— 4 кПа, что достигается охлаждением пара.

Расход охлаждающей воды составляет примерно 50—100 кг на 1 кг пара. На электростанции мощностью

1. ГВт расходуется 40 м³/с охлаждающей воды, что при­мерно равно расходу воды в Москве-реке.

Если воду для охлаждения пара забирают из реки, подают в конденсатор, а затем сбрасывают в реку, то такую систему водоснабжения называют прямоточной. В случаях, когда воды в реке не хватает, сооружают пруд. С одной стороны пруда вода подается в конденса­тор, а с другой стороны пруда сбрасывается нагретая в конденсаторе вода.

В

A Q кт

Рис. 2.12. Тепловой баланс кон­денсационной электрической стан­ции:

Q и О_эл — теплота, полученная при сжигании топлива, и теплота, превра­щенная в электроэнергию; Д<З_кн' AQ_r6, &Q_Tp, AQ_KT — потери теплоты в конденсаторе, турбогенераторах, тру­бопроводах, котельном агрегате соот­ветственно

замкнутых системах водоснабжения для охлажде­ния воды, нагретой в конденсаторе, сооружают градир­ни, представляющие собой устройства высотой при­мерно 50 м. Вода вытека­ет струйками из отверстий лотков, разбрызгивается и, стекая вниз, охлажда­ется. Внизу расположен бассейн, в котором вода собирается и затем насо­сами подается в конден­сатор.

Тепловой баланс кон­денсационной электриче­ской станции. На ТЭС происходят многократные преобразования энергии, сопровождающиеся поте­рями. Экономичность про­цесса преобразования хи­мической энергии топлива в электрическую и потери на различных стадиях производства можно выявить из ана­лиза теплового баланса электрической станции. Если за 100% принять химическую энергию, получаемую при

сжигании угля в топках котлов, то в среднем только 25% этой энергии превращается в электрическую (рис. 2.12). Наибольшие потери теплоты происходят в конденсаторе. С охлаждающей водой конденсатора уносится 55% теп­лоты.