ОПЭвЭС лекции

Конспект лекций

Лекция11.

1. Основные виды энергии.

2. Проблемы получения, преобразования, передачи и аккумулирования энергии.

3. Роль энергии в обеспечении потребностей и улучшении качества жизни людей. 4. Социальные проблемы энергетики.

1

Определение. “Энергия” – общая количественная мера различных форм движения материи.

Для количественной характеристики качественно различных форм движения и соответствующих им взаимодействий принято различать виды энергии:

-механическая;

-электрическая;

-ядерная;

-гравитационная и др.

Вкачестве универсальной единицы измерения энергии (работы) в системе СИ принят Джоуль, которому в различных системах измерения в зависимости от вида энергии (с учетом переводного коэффициента) соответствуют: ватт-час, эрг, калория и др. Например, внутренняя энергия – энергия системы, зависящая от ее внутреннего состояния, включает в себя энергию хаотического (теплового) движения всех микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов и т.п.), энергию взаимодействия этих частиц, энергию электронных оболочек атомов и ионов, внутриядерную энергию и т.д. В частности, в термодинамике интерес представляет не сама внутренняя энергия системы, а ее изменение при переходе системы из одного состояния в другое. Поэтому под внутренней энергией системы понимаются обычно те

еесоставляющие, которые изменяются в рассматриваемых термодинамических процессах.

Визолированной системе выполняется закон сохранения энергии.

Втеории относительности установлена универсальная связь межу полной энергией тела (E) и его массой (m): Е=mc2, где с – скорость света в вакууме.

Физическая сущность различных видов энергии отражается в самом ее названии. При этом в целях детализации и исследования отдельных ее составляющих в системе применяется деление ее на подвиды. Например, подвидами механической энергии являются такие ее составляющие, как кинетическая и потенциальная. В свою очередь, различают кинетическую энергию поступательного и вращательного движения.

2Различные формы существования энергии предопределяют необходимость в первую очередь

ееполучения и преобразования. Действительно, на заре существования человеческой цивилизации преимущественное применение нашла тепловая энергия, основное назначение которой заключалось в использовании ее для обогрева и приготовления пищи. При этом хранения ее в общепринятом в настоящее время смысле не было: огонь, как источник тепла, постоянно поддерживался в костре за счет сжигания топлива. Неосознанно использовалась и механическая энергия, которой обладали примитивные орудия охоты и труда, приведенные в действие мускульной силой человека.

Дальнейшее развитие человечества привело к возрастанию его интеллектуального потенциала и стремлению использования энергетических возможностей природы для облегчения своего труда. На этом этапе получает развитие и начинает применяться накопление энергии (главным образом механической: потенциальная энергия масс, водопадов, мускульной силы животных).

Зарождение и развитие науки в дальнейшем позволило открыть и использовать и другие виды энергии, которые используются и по сегодняшний день. Здесь необходимо заметить, что одни виды энергии были получены от природы и использовались «напрямую»: энергия ветра, водопадов, топлива и т.д. Использование же других стало возможным лишь по достижении определенного уровня развития техники.

Впроцессе развития человечества выяснилось, а затем и было доказано теоретически, что различные виды энергии могут переходить из одного в другой. Однако в целях управляемого превращения энергии потребовались определенные устройства – преобразователи. Примером одного из наиболее ярких и широко распространенных в настоящее время преобразователей является электрическая машина, позволяющая преобразовывать электрическую энергию в механическую и наоборот. Одновременно было замечено, что любые преобразования сопровождаются потерями энергии, которые нельзя не учитывать. Часть из них обусловлена несовершенством преобразователей, другая – теоретической невозможностью 100% преобразования в силу характера самого процесса преобразования. Для количественной оценки доли потерь

2

при преобразованиях было введено понятие «коэффициент полезного действия» (КПД), определяемый как отношение количества вторичной энергии к первичной (исходной). Ярким примером влияния прогресса на повышение КПД преобразователя тепловой энергии в механическую является сравнение паровой машины (КПД=4…5%) и паровой турбины (≈ 40%). Другим примером могут служить успехи в области преобразования лучистой энергии в электрическую: КПД преобразования возрос с 2…3% в первых образцах преобразователей до 14…15% в современных.

Помимо получения и преобразования энергии использование ее связано и с передачей (транспортировкой) на расстояние. Как и в процессе преобразования энергии в процессе ее транспортировки неизбежны определенные потери. Наиболее распространенными способами передачи энергии в настоящее время являются: транспортировка первоисточника (сырья – нефти, газа, угля, торфа и пр.) и электрической энергии, потери которой при использовании эффекта сверхпроводимости сводятся к минимуму. Но транспортировка сырья сама требует определенных затрат энергии и поэтому не всегда может быть оправдана. С другой стороны, было выявлено, что при использовании однотипных преобразователей КПД более мощной энергетической установки выше, чем маломощной. Поэтому при определении способа транспортировки энергии необходимо сравнивать различные схемы ее реализации.

Немаловажное значение при использовании энергии имеет вопрос ее аккумулирования (накопления и хранения). Не все виды энергии могут сохраняться неизменными во времени в количественном отношении. Действительно, кинетическая энергия движущегося тела постоянно изменяется вследствие расхода ее на преодоление сил сопротивления среды; тепловая энергия – из-за излучения в окружающую среду и т.д. Вместе с тем некоторые виды энергии (например электрическая) при хранении теряются незначительно, что и вызывает определенный интерес к ее применению. Но, пожалуй, самым удобным способом хранения энергии является хранение ее в виде первоисточника (сырья), чем и пользуется уже много столетий человечество.

3 Развитие и совершенствование техники и технологий приводит к замене непроизводительного ручного труда на механизированный и автоматизированный, исключающий или замещающий в наиболее энергоемких производственных процессах мускульную силу человека. Применение механизмов невозможно без использования источников различного вида энергии, основными из которых в современной жизни являются электрическая и тепловая.

Стремление человека повысить комфортность жизни приводит к появлению широкого спектра электротехники, как бытовой, так и производственной, способствующей повышению производительности труда и снижению утомляемости.

Переоценить роль энергии в преобразовании быта и производства невозможно, так как изобретение новых машин и механизмов в большинстве своем рассчитано на использование того или иного вида энергии для приведения их действие. При этом следует заметить, что в быту основным, если не единственным источником энергии для техники является электрическая энергия. Поэтому не случаен тот факт, что в определенные периоды XX века в развитых странах каждые 10 лет происходило удвоение объемов производства электроэнергии. В 90-х годах прошлого века в России средний уровень потребления энергии в коммунально-бытовом секторе достиг величины 800…900 кВт•ч в год на одного жителя и он был ниже, чем в развитых странах мира.

Все это говорит о том, что повышение комфорта неизбежно повлечет за собой и дальнейшее увеличение энергопотребления.

человечества, а, с другой – ухудшается состояние окружающей среды вследствие загрязнения ее отходами производства, расходом природных ресурсов (топливных, земельных, водных) и пр. Развитие энергетики способствует прогрессу и в то же время создает проблемы экологического плана. Общеизвестно, что получение электрической и тепловой энергии на тепловых станциях в силу специфики технологического цикла сопровождается выбросом в атмосферу вредных веществ, изменяющих не только ее состав, но и способствующих возникновению парникового эффекта, влияющего на климат планеты в целом. При производстве ее на атомных станциях возникают проблемы защиты от радиационного излучения, на гидроэлектростанциях – изменению микроклимата (из-за необходимости накопления резерва воды в приплотинном водохранилище ГЭС) и т.д.

Сформировавшаяся сеть электростанций, особенно тепловых, способствовала концентрации населения и развития производства в наиболее обжитых районах, запасы топлива в которых на текущий момент практически исчерпаны. Такое положение дел порождает помимо экологических проблем еще и социальные проблемы, главные из которых заключаются в следующем:

-наращивание производства энергии (энергетических мощностей) должно осуществляться за счет строительства объектов энергетики в отдаленных районах, не имеющих, как правило, ни людских резервов, ни готовой инфраструктуры;

-выработка энергии в отдаленных районах заставляет решать задачу доставки ее потребителю, и формирования обслуживающих предприятий с соответствующей социальной инфраструктурой;

3

-выработка топливных ресурсов на местах производства электроэнергии (сопровождающаяся закрытием предприятий горнодобывающей промышленности) порождает вопрос о закрытии электростанций либо о подвозе топлива с других месторождений (что лишь временно решает проблему сырьевых ресурсов);

-перевод электростанций на другой вид топлива порождает проблемы транспортировки нового вида сырья и реконструкции предприятия (а также переподготовки кадрового состава работников);

-закрытие объектов энергетики и связанных с ними производств порождает проблему переподготовки и трудоустройства работников закрытых предприятий;

-закрытые объекты необходимо либо перепрофилировать, либо заменить другими предприятиями или жилыми районами.

Лекция 2

сырье для ее получения.

Одним из первых видов энергии, которую целенаправленно стал использовать человек, является тепловая, получавшаяся в результате сжигания топлива. При этом в качества топлива вначале использовалась древесина, позже – уголь, торф, нефть, газ и т.д. Использование человеком на ранней стадии развития общества перечисленных полезных ископаемых не вносило заметных изменений в экосистему Земли и не ставило задачи по поиску новых источников тепловой энергии в силу малочисленности популяции. Развитие общества и рост численности населения повлек за собой и рост энергопотребления, а развитие промышленности привело к появлению преобразователей тепловой энергии сначала в паровую, а затем и в электрическую как наиболее удобную с точки зрения транспортировки и использования в качестве первоисточника для других видов энергии. Результаты прогресса налицо: при уровне мировой добычи 2003 года теоретически запасы нефти на планете будут исчерпаны по разным оценкам в течение ближайших 50…100 лет, газа – через 80…120 лет, угля – через 1000 лет.

Поэтому перед человечеством встала задача поиска альтернативных перечисленным выше источников тепловой энергии.

“Законсервированная” в топливе тепловая энергия может быть получена и из других источников. Одним из них является лучистая энергия (например, энергия Солнца), которую человек научился использовать также давно, но не в таких масштабах. Теоретический потенциал солнечной энергии, поступающей на Землю в течение года, превышает все извлекаемые запасы органического топлива в 10…20 раз.

Другим примером первоисточника тепловой энергии в чистом виде являются геотермальные источники. Однако расположение их в непосредственной близости от сейсмически активных зон вызывает определенные сложности в их использовании.

К первичным источникам энергии следует, безусловно, отнести и воду. Потенциальная энергия воды издавна использовалась человеком для получения механической. Примером этому служат мельницы. Кинетическая же энергия стала использоваться относительно недавно – с появлением электростанций, использующих энергию приливов и отливов, либо бурно текущих рек. В отличие от топлива энергия воды как первоисточник более долговечна, но также подвержена изменению вследствие тектонических подвижек.

Успехи в области исследования ядра позволили человечеству получить тепловую энергию как побочный продукт ядерной реакции. Однако невысокая надежность первых реакторов привела к негативному отношению населения к самой идее развития ядерной энергетики. Если учесть при этом, что конечным продуктом работы атомных электростанций является радиоактивные элементы, требующие утилизации, то такая реакция людей становится вполне объяснимой. Вместе с тем, развитие науки и совершенствование технологии получения тепловой энергии позволяют уже в настоящее время использовать ядерную энергетику как альтернативу традиционной тепло- и гидроэнергетики. В таких странах, как Япония, Франция и ряде других значительная доля электроэнергии производится на ядерных электростанциях.

Энергия ветра также достаточно длительное время используется человеком. На первой стадии развития ветроэнергетики конечным продуктом преобразования “даровой” энергии ветра была механическая, которая использовалась, например, для помола зерна, подъема воды и пр. И лишь с изобретением электрических машин ветроэнергетика приобрела тот смысл и значение, которое однозначно понимается всеми сейчас – получение электрической энергии. Не останавливаясь на технических подробностях преобразования энергии ветра в электроэнергию, отметим только лишь один аспект –

4

непостоянство напора ветра и его направления, что создает определенные трудности в реализации самой идеи. Вместе с тем, технический прогресс позволил решить и эти проблемы. Оценивая перспективы использования энергии ветра, как первоисточника, следует отметить зависимость ее от климата земли, который, как известно, претерпевает существенное изменение в последнее время. Изменение климата может привести к изменению не только расположения потоков воздушных масс, но и их мощности.

2

Оценивая различные источники энергии как средство для развития человечества, необходимо учитывать не только такие их показатели, как теоретический и практический КПД преобразования, экологичность и т.д., но и возможности достаточно длительного их использования. С этой точки зрения источники энергии можно классифицировать как невозобновляемые и возобновляемые.

К невозобновляемым относятся такие источники, работа которых основана на использовании полезных ископаемых, таких как нефть, газ, уголь, горючие сланцы, торф и др., запасы которых рано или поздно иссякнут. К возобновляемым – те, которые используются для получения энергии многократно или запасы их в природе настолько велики, что человечество не сможет их исчерпать не только в обозримом будущем, но и на длительную перспективу:

-солнечное излучение (гелиоэнергетика);

-энергия ветра (ветроэнергетика);

-энергия рек и водотоков (гидроэнергетика);

-энергия приливов и отливов;

-энергия волн;

-геотермальная энергия;

-рассеянная тепловая энергия (тепло воздуха, воды, океанов, морей и водоемов);

-энергия биомассы – растительного и животного происхождения, бытовых отходов антропогенной деятельности, органические отходы целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и лесной промышленности, лесозаготовок.

Для проведения сравнительного анализа источников необходимо договориться о конечной форме энергии, которая затем утилизируется человеком. На основании изложенных выше соображений следует предложить, что таким видом энергии является электрическая – как наиболее распространенная и относительно просто преобразуемая в другие виды. С этой целью необходимо составить структурную схему преобразования энергии исходного источника в электрическую, которая представлена на рис. 1

Рис.1. Структурная схема преобразования энергии

Рассмотрим на примере угольной ТЭС мощностью 2400 МВт реализацию технологического процесса получения электроэнергии в соответствии со схемой рис.1.

Уходящие газы (10%)

Рис.2. Энергетический баланс угольной ТЭС

Из приведенной схемы видно, что из 100% энергии, накопленной в источнике (угле), только 30% преобразовано в электроэнергию, т.е. КПД преобразователя составляет 0,3. Некоторого повышения КПД

5

можно достичь усовершенствованием отдельных элементов преобразователя, однако существенного прироста его ожидать не приходится без радикального изменения структуры преобразователя.

Определенный интерес представляет так называемый “материальный баланс” угольной ТЭС, представленный на рис.3. Он показывает, какие конкретно отходы производства образуются при использовании в качестве топлива антрацитового угля, в том числе и те из них, которые попадают в атмосферу. Из рисунка видно, что из общего объема побочных продуктов удается удержать только порядка 9% отходов производства главным образом твердых фракций для последующей их утилизации в строительстве.

Таким образом, из всего количества затраченных материальных ресурсов в виде топлива и кислорода для последующего применения может быть использовано не более 12% побочных продуктов (в действительности в 10 раз меньше).

Электрофильтр

Зола

(193,5т/ч)

Шлак

(34,5т/ч)

Рис.3. Материальный баланс угольной ТЭС

При сжигании жидкого и газообразного топлива затраченные материальные ресурсы практически полностью превращаются в отходы.

Двуокись углерода и пары воды – основные отходы производства тепла и электроэнергии при сжигании органических топлив – не используются; поступая в атмосферу, они включаются в природные циклические процессы и поглощаются растительностью для синтеза органических соединений и регенерации кислорода. Однако этот процесс не восстанавливает существовавшего в природе равновесия, т.к. темпы использования органического топлива человеком на несколько порядков превышают регенерационные возможности природы.

Энергетическому производству сопутствуют также различные загрязненные стоки, связанные с процессом водоподготовки, консервации и промывки оборудования, гидротранспортом твердых отходов и т.д. В этой области принципиально возможно создание замкнутых систем водоснабжения, т.е. может быть осуществлена регенерация использованной воды.

В зависимости от свойств первичных энергетических ресурсов (марок угля, торфа, газа, горючих сланцев и т.д.), используемых для производства тепла и электроэнергии, энергетические предприятия в различной степени загрязняют окружающую среду отходами своего производства.

Заметную конкуренцию ТЭС в последнее время составляют АЭС. В таких странах, как Франция, Япония электроэнергия, выработанная на них, является основной. В последнее время и Китай уделяет повышенное внимание развитию атомной энергетики.

6

Рассматривая производство электроэнергии на АЭС с точки зрения обмена его с окружающей средой, можно констатировать следующее. В противоположность минеральному топливу, требующему для выделения тепла атмосферного кислорода, ядерное “горючее” выделяет энергию, без каких-либо других материальных ресурсов. Поскольку “теплота сгорания” 1кг ядерного топлива в 2,85.106 больше, чем 1кг условного топлива, то выделяемые материальные отходы производства энергии на базе ядерного горючего, на несколько порядков меньше, чем при работе на минеральном топливе. Относительно большие объемы вентиляционного воздуха при тщательной очистке его от радиоактивных примесей практически не загрязняют атмосферы.

Сопоставляя затраты на очистку газообразных выбросов АЭС и ТЭС необходимо отметить, что установка уловителей вредных примесей дымовых газов в виде твердых частиц на последних удорожает стоимость 1 кВт установленной мощности до 5%, а при улавливании двуокиси серы – до 25…50%. Поглощение радиоактивных изотопов из газообразных выбросов АЭС удорожает стоимость 1 кВт установленной мощности до 10…12%.

Несмотря на то, что выбросы АЭС в миллионы и миллиарды раз более токсичны и действие их более скоротечно, выбросы ТЭС тоже небезопасны, а их воздействие на живой организм может быть постепенным вследствие накопления и вызывать генетические изменения. Кроме того, использование, например, такого минерального топлива, как прибалтийского сланца, приводит к появлению в дымовых газах радиоактивных изотопов калия и урана.

Наиболее «чистое» производство осуществляется на установках, использующих гидроресурсы (ГЭС), энергию приливов (ПЭС), солнечную энергию (СЭС), энергию ветра (ВЭС), тепло геотермальных источников (ГеоТЭС). Однако доля участия этих источников в покрытии мировой потребности в энергии незначительна, тенденции роста их невелики, поэтому развитие энергетики на базе этих источников не снизит остроты проблемы защиты окружающей среды.

Сравнивая различные виды энергии необходимо, прежде всего, оценить и сопоставить их роль в жизни человека, качество, основное назначение, возможность получения, использования, транспортировки, аккумулирования, экологичности, надежности и безопасности. В процессе развития человек научился использовать практически все виды энергии. Однако доля каждого вида в балансе общего энергопотребления различна.

Тепловая энергия, как указывалось выше, используется человеком издавна. Но если раньше она использовалась главным образом для обогрева жилищ и приготовления пищи, то с развитием техники роль и значение ее несоизмеримо возросли. Она используется для производства электроэнергии, в различных технологических производствах (от выплавки стали до производства сельскохозяйственной продукции) и т.д. и т.п. Тепловая энергия может быть получена, как непосредственно из окружающей среды, так и в результате преобразования из других видов энергии. Хранение ее невыгодно вследствие трудности осуществления изоляции теплоносителя (а ими являются материальные тела) от окружающей среды, что неизбежно ведет к теплообмену и понижению температуры теплоносителя. Транспортировка энергии малоэффективна вследствие тепловой инерции и потерь, вызванных теплообменом с окружающей средой.

Механическая энергия в свободном виде в природе не существует. Она проявляется опосредованно, например, в виде кинетической энергии воды (морские приливы и отливы, течение рек, цунами) или потенциальной – водопады. В чистом виде механическая энергия проявляется только в результате использования механизмов, где происходит перемещение (вращательное или поступательное) объектов или деталей. Как известно, механическая энергия может быть получена при использовании мускульной силы, либо путем преобразования из другого вида энергии (например, в электродвигателе, паровой машине и т.д.). Хранение энергии возможно в виде кинетической (вращающийся маховик), либо в виде потенциальной (энергия сжатой пружины, поднятого груза и т.д.). Однако хранение в таком виде неэффективно вследствие потерь в трущихся частях накопителя (маховик) либо из-за явления усталости (пружина). Транспортировка энергии неприемлема вследствие больших потерь в элементах передачи.

Гравитационная энергия на Земле проявляется в основном опосредованно через морские приливы и отливы и может быть использована главным образов для преобразования в другие виды.

Электрическая энергия в природе существует в виде статических электрических полей и вызываемых ими электрических разрядов (молний). В результате развития науки и техники человек изобрел способы: получения электрической энергии их других источников энергии, причем в таких видах, которые не встречаются в природе (однофазные и многофазные источники различной частоты, формы тока и пр.); хранения ее (главным образом в аккумуляторах постоянного тока); транспортировки (линии электропередач на постоянном и трехфазном переменном токе). Кроме того, придумано много преобразователей электроэнергии в другие виды энергии. Однако, как указывалось выше, производство электроэнергии и транспортировка ее до потребителя сопровождается ухудшением экологической обстановки и повышенной опасностью.

Ядерная энергия может быть получена двумя путями: в процессе цепной управляемой реакции деления ядер атомов либо в процессе управляемого термоядерного синтеза. В обоих случаях в процессе реакции выделяется тепловая энергия, преобразуемая далее в электрическую энергию. В свободном виде энергия в природе не существует. Радиоактивные руды, являющиеся источником ядерной энергии, могут транспортироваться на обогатительные заводы с последующей доставкой на АЭС с соблюдением защитных

7

противорадиационных мер. Отличительной особенностью руд является их самопроизвольный распад, что со временем приводит к истощению запасов сырья.

Химическая энергия (или энергия, выделяющаяся в результате химических реакций) проявляется в виде тепла, которое можно преобразовать в другой вид энергии. В некоторых реакциях на промежуточной стадии выделяются свободные электроны, которые используются, например, в топливных элементах для получения электрического тока. Хранение и транспортировка энергии возможна лишь в виде сырья для химических реакций.

Лучистая энергия (главным образом получаемая от Солнца) может быть получена с помощью зеркал либо фотоэлектрического эффекта. Хранение и транспортировка невозможны без преобразования в длугие виды энергии.

показателей, одним из которых является качество. Поскольку, как выяснилось выше, наиболее распространенной и приспособленной для нужд человека является электроэнергия, остановимся подробно на ее качестве.

Качество электрической энергии определяется ГОСТ 13109-97, который устанавливает показатели и нормы качества электрической энергии (КЭ) в электрических сетях систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приемники электрической энергии (точки общего присоединения).

При соблюдении указанных норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электрической энергии (приемников электрической энергии).

Нормы, установленные настоящим стандартом, являются обязательными во всех режимах работы систем электроснабжения общего назначения, кроме режимов, обусловленных:

-исключительными погодными условиями и стихийными бедствиями (ураган, наводнение, землетрясение и т. п.);

-непредвиденными ситуациями, вызванными действиями стороны, не являющейся энергоснабжающей организацией и потребителем электроэнергии (пожар, взрыв, военные действия и т. п.);

-условиями, регламентированными государственными органами управления, а также связанных с ликвидацией последствий, вызванных исключительными погодными условиями и непредвиденными обстоятельствами.

Установлены два вида норм КЭ: нормально допустимые и предельно допустимые. Показателями КЭ являются:

-установившееся отклонение напряжения Uy;

-размах изменения напряжения Ut;

-доза фликера Рt (фликер — субъективное восприятие человеком колебаний светового потока источников искусственного освещения, вызванного колебаниями напряжения в электрической сети, питающей эти источники);

-коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU;

-коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения КU(n);

-коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2U;

-коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0U;

-отклонение частоты f;

-длительность провала напряжения tп;

-импульсное напряжение Uимп;

-коэффициент временного перенапряжения Кпер U.

В качестве примера приведем конкретные требования по некоторым показателям.

Отклонение напряжения:

-нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения

Uy на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ±5 и ±10% от номинального напряжения электрической сети по ГОСТ 721 и ГОСТ 21128 (номинальное напряжение). Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

-коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения.

Таблица 1 — Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в %

Несимметрия напряжений характеризуется следующими показателями:

-коэффициентом несимметрии напряжений по обратной последовательности;

-коэффициентом несимметрии напряжений по нулевой последовательности.

8

Нормально допустимое и предельно допустимое значения коэффициента несимметрии напряжений по обратной (и нулевой) последовательности в точках общего присоединения к электрическим сетям равны 2,0 и 4,0 % соответственно.

Отклонение частоты:

- нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты равны ± 0,2 и ± 0,4 Гц соответственно.

Лекция 3

1. Роль электроэнергии и ее использование в жизни современного общества.

2. Структурные схемы устройств преобразования тепловой энергии в электрическую.

1Из проведенных выше аналитических исследований и сопоставлений было выявлено, что наиболее приемлемой для удовлетворения энергетических потребностей человека формой энергии является электрическая. Устройства, использующие или преобразующие электрическую энергию в другие виды, настолько глубоко вошли в жизнь современного человека, что прекращение получения ее равносильно глобальной катастрофе. Действительно, в настоящее время практически все промышленное и сельскохозяйственное производство, транспорт, предприятия сферы обслуживания, бытовая техника, предприятия связи и т.д. используют электроэнергию.

Электроэнергия, как было показано выше, обладает одним из неоспоримых преимуществ по сравнению с другими видами энергии – относительной простотой и безопасностью транспортировки на большие расстояния. Для транспортировки в настоящее время используются две системы: передача на переменном токе и на постоянном токе. О достоинствах и недостатках каждой системы будет рассказано позже. Здесь же следует остановиться более подробно на потребителях электроэнергии в быту и на производстве.

Исторически сложилось так, что преимущественное распространение получили приемники электроэнергии переменного тока. При этом в быту на уровне рядового потребителя в основном используется система однофазного переменного тока, хотя в сфере обслуживания населения – система трехфазного переменного тока. Объясняется это тем, что переход от трех- к однофазной схеме электропитания осуществляется достаточно просто и не требует установки дополнительного оборудования.

На производстве же преимущественно распространена система трехфазного питания. Объясняется это прежде всего тем, что трехфазные машины переменного тока по сравнению с одно– и другими многофазными машинами отличаются оптимальным соотношением выходных характеристик и стоимости изготовления.

Вместе с тем, необходимо отметить и тот факт, что существуют производственные процессы, в которых возможно применение только постоянного тока. Кроме того, передача электроэнергии на постоянном токе осуществляется на гораздо большие расстояния, чем на переменном и с меньшим ущербом для окружающей среды.

2Структурная схема преобразования тепловой энергии в электрическую приводилась выше (см.

рис.1).

Вкачестве источника первичной энергии могут выступать различные вещества. В частности на ТЭС, ГеоТЭС и др. таким веществом является вода, в других установках – легкокипящие жидкости, газы.

Вкачестве преобразователя энергии выступает турбина, а источником электрической энергии

Рис. 4 Структурная схема ГеоТЭС

9

является, как правило, трехфазный генератор переменного тока.

На рис. 4 приведена структурная схема геотермальной тепловой электростанции. Принцип работы установки заключается в следующем. Поступающая по трубопроводам из продуктивной скважины в сепаратор первой ступени пароводяная смесь разделяется на жидкую и газообразную фракции, первая из которых направляется в скважину закачки, а вторая – в сепаратор второй ступени, где производится ее доводка до необходимой кондиции. Из сепаратора пар подается в турбогенератор, где и происходит преобразование его кинетической энергии в энергию вращения вала турбогенератора. Турбогенератор вращает вал ротора трехфазного генератора переменного тока, вырабатывающего электроэнергию. Для защиты установки от чрезмерно повышенного давления пароводяной смеси, поступающей из скважины, на входе установки установлено предохранительное устройство с шумоглушителем.

Геотермальная установка мощностью 1МВт позволяет сэкономить в год 3000 тонн условного топлива.

В России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом скважин свыше 300 тыс. м3 в сутки. При использовании технологий с вовлечением низкокипящих рабочих тел при выработке энергии на низкопотенциальных энергоносителях по хладоновому циклу в таких отраслях, как нефтепереработка, химическая промышленность, черная металлургия, являющимися крупными источниками сбросного тепла, энергосбережение может составить до 30%, что эквивалентно примерно 100…150 млн т у.т в год.

Эффективна утилизация низкопотенциальной теплоты окружающей среды, промышленных и бытовых стоков с решением проблем энергосбережения, обеспечиваемая с использованием тепловых насосов. Тепловые насосы во многих странах используются как средство теплоснабжения поскольку эффективность их в 3…4 раза выше, чем у электрокотлов. Новой областью применения тепловых насосов является создание высокотемпературных теплонасосных установок открытого цикла для получения пара промышленных параметров.

На рис. 5 приведена структурная схема парокомпрессионного теплового насоса с газотурбинной установкой.

Рис. 5. Структурная схема парокомпрессионного теплового насоса (ПНТ) с газотурбинной установкой.

К – компрессор, КС – камера сгорания, Т – газовая турбина

Установка включает в себя три контура: приводной (силовой) контур, состоящий из компрессора К, сидящего на одном валу с турбиной Т и компрессором контура отбора теплоты и камеры сгорания КС, в которой сжигается газ; контур отбора теплоты (ПНТ), в который входит компрессор, конденсатор, дроссель и испаритель; контур подогрева сетевой воды, включающий в себя котелутилизатор и конденсатор.

Принцип работы установки заключается в следующем. Поступающий в испаритель контура отбора теплоты источник низкопотенциальной теплоты отдаёт часть своей энергии, превращая низкокипящее рабочее тело в пар. Последнее сжимается в компрессоре, за счёт чего повышается эго энергия, и поступает в конденсатор. В конденсаторе в процессе теплообмена происходит подогрев поступающей от потребителя

10