Солнечные и ветряные электростанции


Солнечные электростанции

Солнечное излучение экологически незапятнанный и возобновляемый источник энергии. Припасы солнечной энергии громадны. К началу XXI века население земли разработало и освоило ряд принципов преобразования термический энергии в электронную. Их можно условно поделить на машинные и безмашинные способы. Последние нередко именуют способами прямого преобразования энергии, так как в их отсутствует стадия преобразования термический энергии в механическую работу.

Тепло из ядерного реактора выводят при помощи водянистого либо газообразного теплоносителя, который прокачивают насосами через активную зону. Теплоносителем может быть вода, железный натрий либо газообразные вещества. Он отбирает у ядерного горючего тепло и передает его в теплообменник. Эта замкнутая система с теплоносителем именуется первым контуром. В теплообменнике тепло первого контура нагревает до кипения воду второго контура. Образующийся пар направляют в турбину либо употребляют для теплофикации промышленных и жилых построек.

Тесты трехкиловаттной газотурбинной установки, проведенные в Одна тыща девятьсот 70 семь году на пятиметровом фацетном параболическом концентраторе в Физико-техническом институте Академии Узбекистана, проявили, что установки такового типа очень маневренны. Выход на номинальные обороты составлял менее минутки с момента наведения солнечного пятна на полость цилиндрического котла. Коэффициент полезного деяния этой уста-ковки Одиннадцать процентов.

В энергоустановке с паротурбинным преобразователем собранная концентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а потом и в перегретый пар, который расширяется в турбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации в холодильнике-излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом, вновь поступает в котел. Так как подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке, а удельные площади излучателя и концентратора возможно окажутся меньше. У схожей установки, работающей на органическом рабочем теле, коэффициент полезного деяния составляет 1520 процентов при сравнимо низких температурах подвода тепла всего 600 600 50 градусов Кельвина.

От многих недочетов, присущих машинным преобразователям, свободны энергоустановки с так именуемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими, конкретно модифицирующими энергию солнечного излучения в электронный ток.

Термоэлектрогенераторы основаны на открытом в Одна тыща восемьсот 20 один году германским физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в появлении на концах 2-ух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре, пишет в Соросовском образовательном журнальчике Л.М. Драбкин. Открытый эффект сначало употреблялся в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств термопар, подразумевающий отношение электронной мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял толики процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для производства термоэлементов заместо металлов полупроводники, стало вероятным энергетическое внедрение термоэлектрического эффекта, и в 19401941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был сотворен 1-ый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. Трудами и его школы в 40-50-е годы была разработана и теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, также синтезированы очень действенные (до настоящего времени) термоэлектрические материалы.

Соединяя меж собой отдельные термоэлементы, можно создавать довольно массивные термобатареи. Электрическая станция мощностью 10 ГВт может весить до Двести тыщ тонн. Понижение веса энергоустановки впрямую связано с увеличением коэффициента полезного деяния преобразования солнечной энергии в электричество.

Этого можно достигнуть 2-мя способами: повышением теплового коэффициента полезного деяния преобразователя и понижением необратимых утрат энергии во всех элементах энергоустановки.

В первом случае концентрированное излучение позволяет получать очень высочайшие температуры. Но сразу при всем этом очень растут требования к точности систем слежения за Солнцем, что для большенных по размерам концентрирующих систем маловероятно. Потому усилия исследователей постоянно направлялись на понижение необратимых утрат. Они попробовали уменьшить переток тепла с жарких спаев на прохладные теплопроводимостью. Для решения этой задачки требовалось достигнуть роста добротности полупроводниковых материалов.

Но после долголетних попыток синтезировать полупроводниковые материалы с высочайшей добротностью стало ясно, что достигнутая сейчас величина является предельной. Тогда появилась мысль поделить жаркий и прохладный спаи воздушным промежутком, подобно двухэлектродной лампе диодике. Если в таковой лампе разогревать один электрод катод и при всем этом охлаждать другой электрод анод, то во наружной электронной цепи возникнет неизменный ток. В первый раз это явление следил в Одна тыща восемьсот восемьдесят три году Томас Эдисон.

Открытое Эдисоном явление получило заглавие термоэлектронной эмиссии, пишет Л.М. Драбкин. Подобно термоэлектричеству оно длительное время применялось в технике слабеньких токов. Позже ученые направьте внимание на способности использования способа для преобразования тепла в электричество. И хотя природа у термоэлектричества и термоэлектронной эмиссии различная, но выражения для КПД у их однообразные.

Главные составляющие необратимых утрат в ТЭП связаны с неизотермическим нравом подвода и отвода тепла на катоде и аноде, перетоком тепла с катода на анод по элементам конструкции ТЭП, также с омическими потерями в элементах поочередного соединения отдельных модулей.

Солнечные и ветряные электростанции

Для заслуги больших КПД цикла Карно современные ТЭП делают на рабочие температуры катодов 17001900 К, что при температурах охлаждаемых анодов порядка Семьсот К позволяет получать КПД порядка 10 процентов. Таким макаром, благодаря понижению необратимых утрат в самом преобразователе и при одновременном повышении температуры подиода тепла КПД ТЭП оказывается в два раза выше, но при значительно более больших температурах подвода тепла.

Сейчас разглядим фотоэлектрический способ преобразования энергии.

В солнечных батареях употребляется явление наружного фотоэффекта, проявляющегося на переходе в полупроводнике при освещении его светом. делают р-п (либо п-р)-переход методом введения в монокристаллический по пупроводниковый материал-базу примеси с обратным знаком проводимости. При попадании на р-п-переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и появляется электронный ГОК во наружной цепи. Коэффициент полезного деяния современных солнечных батарей добивается 1315 процентов.

Германия получает от ветра десятую часть собственной электроэнергии, а всей Западной Европе ветер дает Две тыщи 500 МВт электроэнергии. По мере того как ветряные электростанции окупаются, а их конструкции совершенствуются, стоимость воздушного электричества падает. Так, в Одна тыща девятьсот девяносто три году во Франции се-(ч-стоимость Один кВт-ч электроэнергии, приобретенной на ветростанции, равнялась 40 сантимам, а к Две тыщи году она снизилась в 1,5 раза.

Как по сути будут смотреться солнечные галлактические электростанции, сейчас точно сказать нельзя. Хотя к проектированию схожих электрических станций конструкторы приступили еще в конце 1960-х годов. Хоть какой вариант проекта солнечной галлактической электростанции подразумевает, что это колоссальное сооружение. Даже самая малая галлактическая электрическая станция должна весить 10-ки тыщ тонн. И эту огромную массу нужно будет запустить на удаленную от Земли орбиту.

Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую опорную орбиту нужное количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтоб уменьшить массу больших зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно делать их из тонкой зеркальной пленки, к примеру, в виде надувных конструкций. Собранные куски солнечной галлактической электронной станции необходимо доставить на высшую орбиту и состыковать там. А долететь к месту работы секция солнечной электростанции сможет своим ходом, стоит только установить на ней электроракетные движки малой тяги.

Но это в дальнейшем. Пока же солнечные батареи с фуррором питают галлактические станции.

Ветроэлектростанции

Припасы ветровой энергии, на самом деле дела, беспредельны. Эта энергия возобновляема, и в отличие от термических станций ветроэнергетика не употребляет богатства недр, а ведь добыча угля, нефти, газа связана с большими затратами труда.

К тому же термические станции загрязняют окружающую среду, а плотины ГЭС делают на реках искусственные моря, нарушая природное равновесие. С другой стороны, ветроэлектростанция таковой же мощности, как ГЭС либо АЭС, по сопоставлению с ними занимает еще огромную площадь. И справедливости ради нужно сказать, что ветроэлектростанции не совершенно безобидны: они мешают полетам птиц и насекомых, гремят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близкорасположенных населенных пт.

Обычно рабочим органом ветродвигателя служат лопасти воздушного винта, который и именуют ветроколесом. Теорию его еще сначала XX века разработал узнаваемый российский учёный Н.Е. Жуковский. Для описания явлений, связанных с прохождением воздушного потока через колесо, он применил теорию подъемной силы крыла самолета и обусловил значение очень вероятного коэффициента использования энергии ветра безупречным колесом. Коэффициент полезного деяния оказался равным 59,3 процента.

Обычно для понижения зависимости от капризов ветра в систему включают маховики, отчасти сглаживающие порывы ветра, и различного рода батареи, в главном электронные. Но совместно с тем употребляют и воздушные. В данном случае ветряк нагнетает воздух в баллоны. Выходя оттуда, его ровненькая струя крутит турбину с электрогенератором. Очередной вариант гидравлические батареи. Тут силой ветра вода подымается на определенную высоту, потом, падая вниз, она крутит турбину. Ставят даже электролизные батареи. Ветряк дает электронный ток, разлагающий воду на водород и кислород. Их припасают в баллонах. Позже при необходимости водород и кислород сжигают в топливном элементе или в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанных с капризами ветра.

Солнечные и ветряные электростанции

Ветер изредка дует с неизменной скоростью. Поменялась его скорость замедлилось либо ускорилось вращение колеса и связанного с ним вала, через Который вращение колеса передается электронному генератору. Чтоб вал нращался с неизменной частотой, используют различные приспособления.

До катастрофы на АЭС в Чернобыле русские ученые с уверенностью гласили о том, что в наиблежайшие годы в атомной энергетике будут обширно использовать два главных типа реакторов. Какой-то из них, ВВЭР водо-водяной энергетический реактор, а другой РБМК реактор большой мощности, канальный. Оба типа относятся к реакторам на неспешных (термических) нейтронах.

Более всераспространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) Является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от Один до 3. Турбина, мультипликатор и электрогенератор располагаются в гондоле, усыновленной на верху мачты. В последних моделях ВЭУ употребляются асинхронные генераторы переменной скорости, а задачку кондиционирования им обрабатываемой электроэнергии делает электроника.

Ветровые электростанции прибыльны, обычно, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров за секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, также в зонах, куда доставка топ-нива очень дорога. В РФ это, сначала, Сахалин, Камчатка, Арктика, Последний Север и т.д.

При среднегодовой скорости ветра около Семь метров за секунду и среднем числе часов работы на полной мощности Две тыщи 500 часов в год такая установка производит электроэнергию ценой 78 центов/кВч. Сейчас более всераспространены ВЭУ единичной мощностью 100500 кВт, хотя построены и эксплуатируются агрегаты единичной мощностью в несколько мегаватт.

Малые ВЭУ (мощностью наименее 100 кВт) обычно предназначаются для автономной работы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачи энергии более высочайшего свойства и не допускают перерывов в питании, к примеру, в периоды безветрия. Потому им нужен дублер, другими словами запасные источники энергии, к примеру, дизельные движки той же, как у ветроустановок, либо наименьшей мощности.

Что касается более массивных ветроустановок (выше 100 кВт), то они используются как электростанции и врубаются обычно в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливается довольно огромное количество ВЭУ, образующих так именуемую ветровую ферму. На одном краю фермы может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить очень тесновато, чтоб они не загораживали друг дружку. Потому ферма занимает много места. Такие фермы есть в США, во Франции, в Великобритании, а в Дании ветряную ферму расположили на прибрежном мелководье Северного моря: там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше. В Калифорнии (США) на какой-то из них расположено около тыщи ветроустановок, так что суммарная установленная мощность фермы превосходит 100 МВт.

Ветер стихия очень капризная: то он дует с одной стороны, через некое время с другой. Чтоб колесо отлично использовало энергию воздушною потока, его нужно всякий раз разворачивать против ветра. Для пой цели служат особые устройства хвостовая пластинка (флюгер) и ни маленькое ветровое колесо (виндроза).

В Испании достаточно длительно работала умопомрачительная ветроустановка, сама создававшая себе ветер! Широкий круг земли в основании выстроенной высочайшей трубы покрыли полиэтиленовой пленкой на каркасных опорах. Жаркое испанское солнце нагревало и землю, и воздух под пленкой. В итоге в трубе появлялась ровненькая неизменная тяга, а интегрированная в трубу крыльчатка крутила генератор. Тяга не прекращалась даже в облачные деньки и ночкой: земля длительно хранит тепло. Но эксплуатация таковой установки оказалась достаточно дорогой. Равномерно железная труба проржавела, а пленка разрушилась. После еще одного урагана чинить систему не стали.

ВЭУ занимались и занимаются и в РФ. Сначала 1990-х годов была сотворена ветроустановка маленький мощности Конвет-1Э 2-ух модификаций с асинхронным генератором (2 кВт, Двести 30 В) и индукторным генератором неизменного тока (12 либо 20 четыре В). Ветроколесо с 2-мя лопастями крутит генератор. Благодаря применению инвертора либо выпрямителя можно обеспечивать энергией телек, холодильник, радиоприемник, заряжать аккумуляторную батарею. В зонах со среднегодовыми скоростями ветра 56 метров за секунду цена Один кВт-ч от таковой ВЭУ в 1,4 1,7 раза ниже, чем от равноценного по мощности бензинового агрегата. Масса установки Четыреста шестьдесят кг.

Как понятно, неудача многих ветряков массивные воздушные потоки, под действием которых они часто ломаются. В Конвет-1Э применили разные автоматические устройства, чтоб не дать колесу чрезвычайно раскрутиться при сильном ветре. Конструкторам удалось достигнуть аэродинамического КПД в 4648 процентов. Это достигнуто за счет внедрения качественных неметаллических лопастей с более совершенным, крученным по длине профилем.

Суммарная мощность ветроустановок в мире стремительно растет. По использованию ВЭУ в мире лидируют США, в Европе Германия, Великобритания, Дания и Нидерланды.

Быстроходные ветроустановки зарубежных компаний работают приемущественно, начиная со скоростей ветра 56 метров за секунду. Особенная конструкция лопастей и особые приспособления позволяют Конвету-1Э отлично начинать работать уже при силе ветра Четыре метра за секунду.

У солнечных электрических станций есть одна, но очень значимая неувязка. Получать и использовать чистую солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. А что если расположить солнечные энергостанции и космосе, на околоземной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость дозволит создавать многокилометровые конструкции, которые нужны для сбора энергии Солнца. У таких станций есть огромное достоинство. Преобразование 1-го вида энергии в другой безизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос дозволит предупредить опасное перегревание земной атмосферы.

Ядерные реакторы на стремительных нейтронах

1-ая в мире атомная электрическая станция (АЭС), построенная в городе Обнинске под Москвой, отдала ток в июне Одна тыща девятьсот 50 четыре года. Мощность ее была очень умеренной 5 МВт. Но она сыграла роль экспериментальной установки, где скапливался опыт эксплуатации будущих больших АЭС. В первый раз была подтверждена возможность производства электронной энергии на базе расщепления ядер урана, а не за счет сжигания органического горючего и не за счет гидравлической энергии.

АЭС употребляет ядра томных частей урана и плутония. При делении ядер выделяется энергия она и работает в атомных электрических станциях. Но можно использовать только ядра, имеющие определенную массу ядра изотопов. В атомных ядрах изотопов содержится однообразное число протонов и различное нейтронов, из-за чего ядра различных изотопов 1-го и такого же элемента имеют разную массу. У урана, к примеру, Пятнадцать изотопов, но в ядерных реакциях участвует только уран-235.

Реакция деления протекает последующим образом. Ядро урана самопроизвольно распадается на несколько осколков; посреди их есть частички высочайшей энергии нейтроны. В среднем на каждые 10 распадов приходится 20 5 нейронов. Они попадают в ядра примыкающих атомов и разбивают их, высвобождая нейтроны и неограниченное количество тепла. При делении гр урана выделяется столько же тепла, сколько при сгорании 3-х тонн каменного угля.

Место в реакторе, где находится ядерное горючее, именуют активной зоной. Тут идет деление атомных ядер урана и выделяется термическая, энергия. Чтоб предохранить обслуживающий персонал от вредного излучения, провождающего цепную реакцию, стены реактора делают довольно толстыми. Скоростью цепной ядерной реакции управляют регулирующие стержни из вещества, всасывающего нейтроны (в большинстве случаев это бор либо кадмий). Чем поглубже опускают стержни в активную зону, тем больше нейтронов они поглощают, тем меньше нейтронов участвует в реакции и меньше выделяется тепла. И напротив, когда регулирующие стержни поднимают из активной зоны, количество нейтронов, участвующих в реакции, увеличивается, все большее число атомов урана делится, освобождая сокрытую в их термическую энергию.

На случай, если возникнет перегрев активной зоны, предусмотрена аварийная остановка ядерного реактора. Аварийные стержни стремительно падают в активную зону, активно поглощают нейтроны, цепная реакция замедляется либо прекращается.

Посреди машинных преобразователей более известны паро- и газотурбинные установки, работающие на всех наземных термических и атомных электрических станциях.

Для получения энергии ветра употребляются различные конструкции. Это мпоголопастные ромашки и винты вроде самолетных пропеллеров с 3-мя, 2-мя и даже одной лопастью. Вертикальные конструкции неплохи тем, ЧТО улавливают ветер хоть какого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Таковой вертикальный ротор припоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Встречаются и уникальные решения. К примеру, телега с парусом ездит по кольцу из рельсов, а ее колеса приходят в действие электрогенератор.

В водо-водяном реакторе активная зона заключена в большой, поперечником Четыре и высотой Пятнадцать метров, металлической корпус-цилиндр с толстыми стенками и громоздкой крышкой.