Источники энергии. Способы преобразования энергии. ТЭС, ГЭС, АЭС. Альтернативная энергетика.

Широкое практическое использование электроэнергии в сравнении с другими видами энергии объясняется относительной легкостью ее получения и возможностью передачи на большие расстояния.

Природной энергией являются все виды энергии, существующие в природе, которые могут быть использованы для нужд человечества. Обычно под ними подразумевают солнечную и ветровую энергии, энергию морских волн, приливов и отливов, тепловую энергию Земли и ряд других. Наиболее удобным видом энергии из всех, используемым человеком, является электричество, хотя в некоторых случаях природная энергия может быть использована непосредственно, например, тепловая энергия подземных вод, которую можно успешно использовать для обогрева домов, ветры, морские приливы и т. п.

Энергия преобразуется с помощью различных энергетических преобразователей. Энергетическими преобразователями являются устройства для преобразования одного из видов природной энергии в вид, удобный для использования человеком.

Одним из эффективных видов преобразователей энергии являются так называемые “тепловые насосы”, представляющие собой нечто вроде обычного хо¬лодильника, у которого морозильная камера погружена в реку или море. На его калорифере выделяется вся энергия, взятая им из сети плюс вся энергия, добытая из морозильной камеры. Кпд таких “насосов” — порядка 4—5, то есть они выделяют энергии в 4—5 раз больше, чем потребляют из сети. К сожалению, выделяемую энергию пока не удается преобразовать в другие виды из-за недостаточно высоких температур выделяемого тепла.

Весьма перспективными для некоторых районов земного шара, в основном, для южных являются солнечные преобразователи энергии. Этот вид преобразователей энергии используется для космических аппаратов. В преобразователях солнечной энергии на больших площадях размешены полупроводниковые элементы, в которых энергия фотонов света использована для выбивания из атомов слабо связанных электронов и создания электрического напряжения. Энергии таких элементов уже сегодня достаточно для поддержания работоспособности всех устройств, расположенных на космических спутниковых аппаратах.

Термоэмиссионные преобразователи.

         Основная цель термоэмиссионного преобразования энергии состоит в генерации электричества для использования в удаленных полярных районах, под водой и в космосе. Исчисляются также возможности использования термоэмиссионного преобразователя в качестве надстройки к обычным ТЭС.

Вакуумный, квазивакуумный и диффузионный режимы в настоящее время хорошо изучены, и теоретическое описание их увязывается с экспериментом. В дуговом режиме много неясных вопросов и пока отсутствует теоретическая модель, достаточно хорошо согласующаяся с экспериментом.

Хотя этот режим является одним из наиболее перспективных, при расчете генератора приходится основываться больше на экспериментальных данных, чем на теоретических характеристиках.

При разработке реального термоэмиссионного преобразователя важнейшими проблемами являются:

 создание электродов с определенной работой выхода, минимальной испаряемостью и малым сопротивлением;

 регулирование и поддержание необходимого вакуума и давления паров наполнителя (Cs, Cs+K, Cs+Ba);

 разработка коррозионно-стойкой   оболочки   корпуса  термоэмиссионного преобразователя» надежного соединения различных частей преобразователя;

 подвод к эмиттеру теплового потока 10-20 Вт/см2 и отвод его с коллектора термоэмиссионного преобразователя.

Эмиттерный узел термоэмиссионного преобразователя обычно состоит из эмиттера и токоввода, с помощью которого эмиттер присоединяется либо к токоведущей шине и гермовводу, либо к коллектору соседнего термоэмиссионного преобразователя. Термоэмиссионные преобразователи удачно сочетаются с атомным реактором. Многочисленные расчеты показали, что масса и габаритные размеры такой атомной электростанции открывают благоприятные перспективы применения ее на космических объектах для питания бортовой аппаратуры и электрических двигателей.

Несмотря на обилие всевозможных источников энергии, которые могут быть использованы человеком, не все они удобны в обращении, не все могут быть использованы в конкретных случаях, не все они конкурентно способны в плане стоимости. Наиболее распространенными, удобными и относительно дешевыми видами энергии являются газ, нефть и вода (гидростанции). В последние десятилетия к ним добавилась атомная энергия (АЭС). Основными потребителями являются электростанции и котельные, потребляющие нефть, уголь и природный газ, а также транспорт. Все эти виды энергии экологически не чисты и ограничены в своих запасах. Поэтому поиски альтернативных видов источников энергий продолжает оставаться актуальным.

Традиционные источники электрической энергии: тепловая ТЭС, энергия потока воды - ГЭС, атомная энергия - АЭС.

Тепловые электростанции (ТЭС) вырабатывают электроэнергию в результате преобразования тепловой энергии, которая выделяется при сжигании органического топлива (угля, нефти, газа). Невосполнимость этих природных ресурсов заставляет задуматься о рациональном их применении и замене более дешевыми способами получения электроэнергии. Среди ТЭС преобладают тепловые паротурбинные электростанции (ТПЭС), на которых тепловая энергия используется в парогенераторе для получения водяного пара высокого давления, приводящего во вращение ротор паровой турбины, соединённый с ротором электрического  генератора (обычно синхронного генератора).

Гидроэлектростанция (ГЭС) — комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического. оборудования,   преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения  которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию. По установленной мощности (в .Мвт) различают ГЭС мощные (св. 250), средние (до 25) и малые (до 5).При их сооружении наносится вред окружающей среде: перегораживаются реки, меняется их русло, затопляются долины рек.

Важнейшая особенность гидротехнических ресурсов в сравнении с топливно-энергетическими — их непрерывная возобновляемость.

Атомная электростанция (АЭС) — электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия используется для получения электрической. Генератором энергии здесь является атомный реактор. Наиболее часто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах 1) водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя; 2) графито-водные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем; 3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя 4) графито-газовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем. Тепло, выделяемое в нем в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, преобразуется в электроэнергию. АЭС работают на ядерном горючем (уран, плутоний и др.), мировые запасы которого значительно превышают запасы органического топлива.

Ветроэнергетическая установка способна превращать энергию ветра в электроэнергию. Запасы ветровой энергии на территории нашей страны огромны, так как во многих районах среднегодовая скорость ветра составляет б м/с. Устройство ветроэнергетической установки достаточно простое: вал ветряного колеса, способного вращаться под действием ветра, передает вращение ротору генератора электрической энергии. Стоимость производства электроэнергии на ветровых электростанциях ниже, чем на любых других. Кроме того, ветроэнергетика экономит богатства недр. Недостатки ветроэнергетических установок — низкий коэффициент полезного действия, небольшая мощность. Они применяются там, где нет стабильного обеспечения электроэнергией — на нефтяных разработках, горных пастбищах, в пустынях и т. п.

Приливная энергетика использует для производства электроэнергии энергию прилива и отлива Мирового океана. Два раза в сутки уровень океана то поднимается, то опускается. Это происходит под действием гравитационных сил Солнца и Луны, которые притягивают к себе массы океанской воды. У берега моря разности уровней воды во время прилива и отлива могут достигать более 10 м. Если в заливе на берегу моря в устье реки сделать плотину, то в таком водохранилище во время прилива можно создать запас воды, которая при отливе будет спускаться в море и вращать гидротурбины. Гидротурбина это лопаточная машина, приводимая во вращение потоком жидкости, обычно речной воды. По принципу действия гидравлические турбины подразделяют на активные (свободоструйные) и реактивные (напороструйные); по конструкции - на вертикальные и горизонтальные.  В нашей стране уже созданы и работают приливные электростанции. Основными недостатками такого способа производства электроэнергии являются неравномерность выработки электроэнергии  во времени и необходимость сооружения дорогостоящих плотин и резервуаров для воды.

Гелиоэнергетика (энергия Солнца).  Преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. В настоящее время получение электроэнергии от гелиоустановок осуществляется с помощью солнечных батарей. Основу таких батарей составляют фотоэлементы — кристаллы кремния, покрытые тончайшим, прозрачным для света слоем металла. Поток фотонов — частиц света, проходя сквозь слой металла, выбивает электроны из кристалла. Электроны при этом начинают концентрироваться в слое металла, поэтому между слоем металла и кристаллом возникает разность потенциалов. Если тысячи таких фотоэлементов соединить параллельно, то получается солнечная батарея, способная питать электроэнергией электронную аппаратуру на космических кораблях, спутниках. В южных районах, где много солнечных дней в году, размещение на крышах домов солнечных батарей может частично обеспечить потребность в необходимой электроэнергии. Такие батареи используют и для питания электронных часов, калькуляторов и других устройств. Термодинамический преобразователь солнечной электростанции должен содержать следующие компоненты:

а)     систему улавливания падающей радиации;

б)     приемную систему, преобразующую энергию солнечного излучения в тепло, которое передается теплоносителю;

в)  систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к одному или нескольким теплообменникам, в которых нагревается рабочее тело;

г)     тепловой аккумулятор;

д)     теплообменники, образующие горячий и холодный источники тепловой машины.

Геотермальная электростанция.  Электростанции такого типа преобразуют внутреннее тепло Земли (энергию горячих пароводяных источников) в электричество.

Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции.

Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами.

Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины геотермальной электростанции) очищают от газов, вызывающих разрушение труб.

Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшийся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся в ней газы.

К недостаткам геотермальной электростанции относится возможность локального оседания грунтов и пробуждения сейсмической активности. А выходящие из-под земли газы создают в окрестностях немалый шум и могут, к тому же, содержать отравляющие вещества. Кроме того, геотермальную электростанцию построить можно не везде, потому что для ее постройки необходимы определенные геологические условия.

Биоэнергетика предполагает переработку различных органических соединений с помощью бактерий.

1. Энергия отходов. Здесь используется анаэробное брожение. Остаток брожения - это не только энергия, но и удобрения.

2.  Биоконверсия отходов — сложный микробиологический процесс, в котором принимают участие несколько взаимодействующих групп бактерий.

3. Газ из мусора. Метод предполагает бактериальную утилизацию бытовых и животноводческих отходов.

ТЕПЛООБМЕННАЯ ЭНЕРГЕТИКА. Метод типа “теплового насоса” основан на принципе обычного холодильника.

ЭФИРОДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ основаны на представлении о том, что вся энергия любых источников происходит из эфиродинамических процессов. Свободный эфир содержит в себе огромную энергию, существующую повсеместно.