История электрификации горной промышленности

Кузьмин Сергей

В советские годы страна занимала лидирующее положение в мировой гидроэнергетике. В свое время Красноярская и Саяно-Шушенская ГЭС были самыми мощными в мире. После распада СССР лидирующие позиции России и других стран СНГ были утрачены.

К недостаткам ГЭС следует отнести чрезвычайно высокие капитальные затраты на сооружение, длительные сроки строительства, зависимость работы от природных условий, ущерб от затопления земель и лесов.

Приливные электростанции - ПЭС (рис. 2.8.) вырабатывают электрическую энергию за счет использования потенциальной энергии приливов и отливов моря. Величина прилива (в результате притяжения Луны) в различных местах Земли неодинакова: у берегов Америки она составляет 21

м, у берегов Франции и Англии порядка 15 м, у берегов России– 8–11 м на Белом и Охотском морях. Установлено, что использовать энергию приливов целесообразно при 3–4 м высоты прилива.

Приливный энергетический потенциал на побережьях страны оценивается в 200 млрд кВт ч, что примерно равно выработке электроэнергии на всех ГЭС. Однако использование приливной анергии ведется пока еще в незначительных масштабах. Главный недостаток ПЭС - их вынужденный режим; они дают свою мощность не тогда, когдаэтого требует потребитель, а в зависимости от приливов и отливов волн. Велика также стоимость сооружения подобных станций. Вместе с тем ПЭС дают существенную экономию топлива, поэтому в будущем область их применения будет расширяться.

Гидроаккумулирующие электростанции – ГАЭС (рис. 2.9) используют гидравлическую энергию, которая ими специально накоплена. Они объединяют две установки - турбинную и насосную. Насосная установка позволяет накачать воду из реки в специальный бассейн, расположенный выше реки и здания ГАЭС. Естественно, на это затрачивается энергия. В нужное время вода из бассейна может быть пропущена через турбины, которые стоят на станции под напором, тем самым будет получена определенная электрическая мощность. Следовательно, гидравлическая энергия сначала аккумулируется, а затем используется. КПД ГАЭС составляет 70–80 %. Обычно на . ГАЭС устанавливают машины, которые могут работать попеременно в турбинном и насосном режимах.

Создание ГАЭС позволяет частично решить проблему пиковой энергии. В течение суток электроэнергия потребляется неравномерно. Больше всего ее требуется либо в утренние часы, когда включаются электробытовые приборы, начинают работать предприятия и электротранспорт, либо в вечерние, когда включаются освещение и электроприборы. В ночные же часы потребление электроэнергии наименьшее - чем более свободно пользуются электроэнергией в быту и промышленности, тем более неравномерно она потребляется. Для покрытия пиков нагрузки нужны специальные станции, и в их числе прекрасными возможностями обладают ГАЭС - ночью, потребляя энергию ГАЭС, они накачивают воду в бассейн и создают запас энергии. В часы пика нагрузки накопленная энергия используется, отдавая кратковременную пиковую мощность потребителям.

В настоящее время в России ГАЭС находятся на начальной стадии развития. В будущем пиковая нагрузка энергосистем будет увеличиваться и число ГАЭС возрастет.

Атомные электростанции. В районах, где природные энергетические ресурсы ограничены или отсутствуют, сооружают атомные электростанции (рис. 2.10). На долю АЭС сегодня приходится примерно 4,5 % вырабатываемой в стране электроэнергии. АЭС для получения электроэнергии и тепла используют ядерное горючее. Вместо котельного агрегата на АЭС находится реактор, т.е. специальные парогенераторы.

В качестве топлива на АЭС применяют тяжелые элементы: уран-235, уран-233, плутоний-239. Расщепление ядер урана-235 происходит под действием нейтронов по цепной реакции, при этом выделяется большое количество тепловой энергии (83 %) и ядерного излучения.

Реакторы (рис. 2.11) имеют так называемую активную зону 1, в которую загружается ядерное топливо, содержащее уран-235 и замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения зоны утечки нейтронов зона окружена отражателем 2,

за которым размещается бетонная защита 5 от радиоактивных излучений. Количество ядерного топлива в реакторе значительно превышает критическую массу, поэтому в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 4 из карбида бора. По мере выгорания топлива регулирующие стержни извлекают из активной зоны. Нагретый теплоноситель отводится по трубам 3 в теплообменник – парогенератор 6, где передает свое тепло рабочему телу (например, воде, проходящей по змеевикам и превращающейся в пар). Рабочее тело (пар) поступает в турбину 7, вращает вал турбины, соединенный с валом генератора 8. Отработавший пар попадает в конденсатор 9, после чего сконденсированная вода вновь идет в теплообменник.

Все ядерные реакторы имеют специальную биологическую защиту, чтобы предохранить обслуживающий персонал от опасных радиоактивных излучений, которые вызывают ионизацию молекул клеток.

По оценкам экспертов, запасы ядерного топлива примерно в 2000 раз превышают все запасы органического топлива на Земле, его хватит на тысячелетия. Это снимает угрозу топливной недостаточности и гарантирует человечеству возможность интенсивного развития энергетики в настоящем и в будущем. Так, в настоящее время доля АЭС в суммарном производстве энергии в мире составила 55 %. Мощность АЭС мира - порядка 1 млн МВт.

Геотермальные электростанции. Геотермальные электростанции используют внутреннее тепло Земли, геотермическую энергию гейзеров, термальных вод для теплофикации и производства энергии (рис. 2.12).

В России геотермальные источники существуют на Камчатке, Курильских островах, в Сибири. Впервые геотермальная станция на глубинном паре под давлением 5 атм и температурой 200 ⁰С была построена в г. Лардерелло (Италия ) в 1904 г. Геотермальные электростанции используются в Италии, Исландии, России, Японии и Новой Зеландии.

В 1967 г. на Камчатке была построена Паужетская ГТЭС на 11 МВт, в 2000 г. запущены Мутновская ГТЭС на 200 МВт и Паратун-ская ГТЭС.

Гелиоэлектростанции. Гелиоэлектростанции используют энергию солнечных лучей (рис. 2.13) с помощью приемников двух видов:

– плоских, улавливающих солнечные лучи, направленных перпендикулярно плоскости (приемники отслеживают направление солнечных лучей, автоматически разворачивая свою плоскость);

– концентрирующих, в которых солнечные лучи с помощью зеркальных сферических поверхностей концентрируются в фокусе, где расположены тепловые элементы (например, паровой котел).

Сконструированы солнечные электростанции на полупроводниковых фотоэлементах (кремниевых, селеновых и др.). В таких установках солнечная энергия непосредственно превращается в электрическую.

В конце ХХ в. в США и России был создан двухслойный полупроводниковый фотоэлемент из арсенида галлия, который преобразует в электричество видимую часть солнечного спектра, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот прозрачный слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое – антимоноде галлия или арсениде алюминия. КПД такого фотоэлемента составляет примерно 30–37 %, что сопоставимо с КПД современных ТЭС и АЭС (у обычных фотоэлементов в настоящее время КПД составляет 10– 12 %. КПД гелиоэлектростанций составляет 5–10 %, стоимость электроэнергии такой электростанции в 5–10 раз выше стоимости электроэнергии, вырабатываемой традиционными электростанциями. Считается, что повышение КПД данных станций до 20 % позволит стать им конкурентным источником электричества.