Тепловая электрическая станция ? это очень просто
Шрифт:
Гидроэнергетика. С широким распространением водяного колеса настала эпоха гидроэнергетики, и это дало мощный толчок развитию техники. Например, в металлургии удалось повысить температуру в печах, меха которых приводились в движение от водяного колеса; а в горном деле - расширить возможность откачки воды из шахт с помощью насосов, приводимых в движение водяным колесом.
Начиная с XIII века гидроэнергетика определяет технический уровень энергетической техники, вплоть до промышленного переворота в конце XVIII века. Конструкция водяных колес совершенствуется. В Шотландии, в Гринкоке на реке Клайд, работало стальное водяное колесо диаметром 21,35 м,
К концу XIX века уже были созданы эффективные гидравлические турбины, электрогенераторы переменного тока, осуществлена передача электроэнергии на значительные расстояния. Большой вклад в развитие гидроэнергетики внес русский инженер М. О. Доливо-Добровольский, под руководством которого в 1891 г. была построена первая промышленного переворота промышленная гидро электростанция (ГЭС)
Рис. 1.2. Водяное колесо времен на острове Мэн
мощностью 220 кВт с генератором трехфазного тока (в местечке Лауфен на реке Неккар в Германии). Впервые от нее была осуществлена передача электроэнергии переменным током напряжением 8,5 кВ на расстояние 170 км во Франкфурт-на-Майне.
В ХХ столетии были разработаны совершенные конструкции гидроагрегатов и построены крупнейшие гидроэлектростанции. В настоящее время в мире строятся ГЭС суммарной мощностью 170 млн кВт, что составляет 19 % мощности всех эксплуатируемых ГЭС, еще планируются к строительству ГЭС мощностью порядка 500 млн кВт.
Теплоэнергетика. В этой отрасли энергетики выработка энергии производится с помощью тепловых двигателей, рабочим телом которых является пар, воздух или газ достаточно высоких начальных параметров. Чтобы получить высокопотенциальное рабочее тело, используют химическую энергию органического топлива.
Начнем с определения: тепловой двигатель – это машина для преобразования теплоты в работу.
Прообразом теплового двигателя считается эолипил, созданный в I в. до н. э. Героном Александрийским, выдающимся ученым и изобретателем (рис. 1.3). Эолипил представлял собой полый шар с двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками. Под шаром был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, пар поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара. Строго говоря, эолипил, названный в честь Эола, бога воздуха, скорее был игрушкой, а не двигателем, так как ничего не приводил в движение, однако имел один из главных элементов любого теплового двигателя – расширительный сосуд.
Рис. 1.3. Эолипил Герона Александрийского, схема и внешний вид
Сочинения Герона пользовались известностью в средние века и оказали влияние на некоторых изобретателей первых аппаратов, использующих давление пара. В истории упоминаются изобретения итальянских и французских инженеров XVI в. (Джованни делла Порта, Филиберта Делорма, Соломона де Ко), представляющие собой в основном аппараты для подъема воды с помощью энергии пара. Большое внимание привлек к себе Эдвард Соммерсет, маркиз Вустер, получивший патент в Англии 15 ноября 1661 г. В описании
Рост горнодобывающей промышленности в Англии XVII века стимулировал использование энергии пара в качестве привода различных механизмов. Необходимо было откачивать воду из шахт, которые становились все более глубокими. От создания нового мощного двигателя зависело дальнейшее развитие горнорудной промышленности. Эта чисто практическая задача стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.
Капиталистический способ производства вызвал к жизни новую энергетическую технику, основой которой стала паровая машина. Возникновение машинного производства в конце XVIII века требовало создания мощного и универсального по использованию двигателя. Этот двигатель должен был избавить промышленность от привязанности к природным источникам энергии - воде, в первую очередь. Таким двигателем явилась паровая машина.
Изобретение универсального парового (теплового) двигателя явилось вторым этапом промышленного переворота в XVIII веке - на смену гидроэнергетике пришла теплоэнергетика.
В течение столетий многие выдающиеся инженеры (Сэмюэль Морленд, Дени Папен, Томас Ньюкомен, Джеймс Уатт, И. И. Ползунов и др.) совершенствовали конструкции, искали новые принципы работы тепловых двигателей, пока, наконец, трудами Густава Лаваля, Чарльза Парсонса, Огюста Рато не был создан новый тип теплового двигателя - турбина.
Сегодня, когда в мировом масштабе теплоэнергетика преобладает над гидроэнергетикой, турбоустановки различных типов являются основным видом двигателя для производства энергии. Для получения рабочего тела турбин с необходимым начальным давлением и температурой используются разные виды топлива. На базе угля вырабатывается 46 % всей электроэнергии мира, на базе газа – 18 %, еще около 3 % производится за счет сжигания биомасс, а нефть используется для производства всего 0,2 % общего объема выработки. В сумме тепловые электрические станции обеспечивают около 2/3 от общей выработки всех электростанций мира.
ХХ век принес новый вид топлива - ядерное. На атомных электростанциях рабочий пар турбин получает энергию от управляемой цепной ядерной реакции в уране и плутонии.
Энергетика таких стран мира, как Польша и ЮАР, практически полностью основана на использовании угля, а энергетика Нидерландов – газа. Мировыми лидерами по производству электроэнергии на атомных электрических станциях являются США, Франция и Япония.
Нетрадиционная энергетика. Большинство направлений нетрадиционной энергетики основаны на вполне традиционных принципах. Первичной энергией в них служат либо природные источники, например ветер (с ветряными мельницами воевал Дон Кихот), а также геотермальные, приливные, солнечные, либо источники, находящиеся в стадии освоения, например термоядерная энергетика.
Рис. 1.4. Современные ветряные двигатели (а) и Дон Кихот, рисунок П. Пикассо (б)
Огромным преимуществом нетрадиционной энергетики является экологическая чистота, а недостатками - чрезвычайно большие затраты на капитальное строительство (например, для солнечной электростанции мощностью 1000 МВт требуется покрыть весьма дорогостоящими зеркалами площадь около 4-х кв. км) и малая единичная мощность. Вот основные направления нетрадиционной энергетики: