Использование геотермальной энергии для выработки электроэнергии. Для выработки электроэнергии

Топливные элементы для выработки электроэнергии

11 08 2016 greenman Пока нет комментариев

Много лет ученые пытаются повысить к.п.д. тепловых машин — совершенствуют конструкции агрегатов, увеличивают их мощность и т. д. Но повышение к.п.д. сверх 40% связано с большими трудностями. Поэтому заманчива другая идея — полностью отказаться от тепловых машин и использовать химическую энергию окисления топлива, минуя промежуточное выделение тепловой энергии – создать топливный элемент.

На принципиальную возможность такого превращения указывает нам окружающая природа. Любой организм черпает необходимую энергию из органических видов топлива — пищевых продуктов. В организме происходит то же самое окисление топлива, что и в тепловой машине, образуются те же конечные продукты реакции — вода и углекислый газ. Но в машине окисление происходит с выделением тепловой энергии, что вызывает сильное нагревание среды, а в организме энергия выделяется в основном в виде механической энергии мускульных сокращений, и температура окружающего пространства почти не повышается. Коэффициент преобразования энергии в живом организме достигает 60—70%. О таких показателях конструкторы тепловых машин даже и не мечтают.

Итак, химическая энергия может превращаться прямо в механическую

А может и напрямую в электрическую. Этой цели и служат топливные элементы. Проблемой непосредственного превращения химической энергии в электрическую и электрической в химическую занимается электрохимия. Эта наука зародилась в самом начале XIX века. В наши дни она переживает свою вторую молодость.

Электрохимические реакции отличаются от обычных химических реакций тем, что в них участвуют свободные электроны. В ходе такой реакции свободные электроны либо выделяются, либо поглощаются. В первой половине XIX века единственными практическими источниками электрического тока были гальванические элементы — электрохимические источники тока. С их помощью стали возможны многочисленные открытия в области теории электричества.

В 1834 г. петербургский академик Б.С. Якоби создал первый электрический двигатель. Он действовал от электрохимического источника тока. Действие такого источника тока основывается на эффекте протекания электрохимических реакций, и, по сути, схоже с принципом работы топливного элемента. Электрохимические реакции протекают на поверхности металлических электродов, погруженных в раствор электролита. Электроны в обычных условиях не могут существовать в водном растворе в свободном состоянии; поэтому их и подводят к реагирующим веществам или отводят от них по электроду.

Электрохимические реакции играют большую роль в технике

В течение почти всей первой половины XIX века, единственными источниками электрического тока, которые помогали совершать многочисленные открытия в области теории электричества, были электрохимические источники тока, или гальванические элементы. Без этих источников невозможно себе представить ни развития представлений об электромагнетизме, ни создания основ электротехники, ни даже появления первых электромагнитных двигателей и генераторов. Зарождение электроэнергетики неразрывно связано с электрохимическими источниками тока и электрохимическими реакциями, с превращением химической энергии в электрическую. Топливные элементы тогда были еще делом будущего.

Во второй половине XIX века электрохимические источники тока уступили место электромагнитным генераторам, оказавшимся более удобными для производства электроэнергии в больших масштабах. Но сама электрохимия продолжала развиваться. Появились большие электрохимические производства. С помощью электролиза стали получать не только водород и кислород, хлор и щелочи, но и такие металлы, как магний и алюминий, занимающие почетное место во многих отраслях современной техники. Техника начала требовать материалы высокой чистоты, а электрохимические методы — растворение и осаждение — помогли получить чистую медь и другие чистые металлы.

Существует электрохимический процесс, который приносит человечеству миллиардные убытки. Это процесс коррозии металлов.

Заметим попутно, что электрохимические реакции не всегда приносят пользу. Есть электрохимический процесс, который приносит человечеству неисчислимые убытки. Это коррозия металлов, уносящая каждый год десятую долю всего выплавляемого железа. Перед лицом такого бедствия электрохимикам приходится изобретать средства не только для ускорения электрохимических реакций, но и для их замедления.

Электрохимические методы помогают химикам обнаруживать при анализе различные вещества. С помощью особого прибора — полярографа можно осаждать на поверхности ртутной капли малейшие количества вещества из раствора и регистрировать их. Существуют электрохимические приборы, которые улавливают и регистрируют звуковые колебания, измеряют давление, ускорение, вибрации и разнообразные другие физические величины.

Электрохимические реакции хороши тем, что их скорость можно регулировать довольно простыми способами. Это очень важно, когда имеешь дело с несколькими реакциями одновременно. Замедляя одни реакции и ускоряя другие, можно направить общее течение процессов в желаемое русло, т. е. управлять процессами. Поэтому одним из важнейших разделов электрохимической теории, начавшей по-настоящему развиваться в 30-х годах нынешнего столетия, стало учение о скорости электрохимических реакций, или электрохимическая кинетика. Исследование основных законов электрохимической кинетики позволило усовершенствовать важнейшие электрохимические процессы, в том числе и те, которые были присущи первым источникам тока — гальваническим элементам.

Электрохимические источники тока к концу прошлого века почти полностью потеряли свое значение как источники электроэнергии. Они не могли конкурировать с промышленными электростанциями. И все же ученые вынуждены были вернуться к ним и заняться их изучением и совершенствованием. Этого требовала жизнь. Переносной радиоаппаратуре требовались автономные (не связанные с электрической сетью) источники питания, надежные и удобные. В таких источниках испытывают нужду и средства транспорта — самолеты, автомобили, а теперь и космические корабли. За последние тридцать лет для этих целей созданы десятки типов гальванических элементов и аккумуляторов, достаточно мощных и энергоемких.

Но как бы ни были совершенны гальванические элементы и аккумуляторы, если можно воспользоваться электроэнергией от сети, конкурировать с электрогенераторами они не в силах (это под силу только топливным элементам). Поэтому наметилось совершенно четкое деление способов выработки и потребления энергии: в «большой энергетике» электрическая энергия вырабатывается на электростанциях и распределяется по сетям к потребителю, в «малой энергетике» применяют автономные, малогабаритные, но и относительно маломощные источники электроэнергии для питания аппаратуры, которая не может быть присоединена к электросети. Ясно, что внедрение топливных элементов позволит стереть грань между «сетевым» и «аккумуляторным» электричеством, ведь получить энергию на месте будет наверняка проще и дешевле, нежели тащить ее по кабелю.

И в той и в другой области электроэнергию получают за счет химической энергии окисления топлива. В электрохимических источниках тока превращение происходит прямо и непосредственно, с большим к.п.д. Тепловым станциям, как мы уже убедились, свойственно многоступенчатое превращение энергии, и к.п.д. там невысок. Создается парадоксальное положение: энергетика отдает предпочтение не простому и выгодному электрохимическому методу, а сложному и неэффективному многоступенчатому превращению.

Парадокс этот вызван, прежде всего, экономическими соображениями. В котельных тепловых электростанций сжигают дешевое природное топливо; в электрохимических же источниках тока издавна использовали такие экзотические (с экономической точки зрения) виды «топлива», как цинк, магний, свинец или в лучшем случае железо. Ясно, что никакой к.п.д. не окупит расходы на такое «топливо». Кроме того, тепловая энергетика пользуется даровым окислителем — кислородом воздуха, а электро-химические источники тока требуют в качестве окислителей все ту же «экзотику», например двуокись марганца, а иногда даже окись серебра.

Вторым существенным недостатком электрохимических элементов была прерывистость их действия. В элемент заложен определенный запас активных материалов («топлива» и окислителя), рассчитанный на выработку какого-то количества электрической энергии. Запас израсходован, и элемент надо заменять другим или перезаряжать. Тепловая же машина работает непрерывно, топливо и окислитель подводят к ней без перебоев.

Как же преодолеть эти противоречия?

Очевидно, надо подумать над тем, как применить электрохимический метод к обычному топливу и как сделать процесс непрерывным. Эту задачу и решают топливные элементы. Современные, поставляемые «под ключ» топливные элементы, хоть и стоят дорого, зато позволяют сократить расход топлива на производство электроэнергии в полтора-два раза. Рассмотрим принципы их работы.

И плазменный, и термоэлектрический, и термоэлектронный генераторы превращают тепло в электрическую энергию. Ну, а откуда берется тепло? От сжигания топлива. Значит, с помощью наших трех необычных генераторов мы все-таки не сразу получаем электричество из топлива. Химическую энергию горючего нам приходится сперва превращать в тепло, а уж потом — в электричество. Нельзя ли превращать химическую энергию непосредственно в электрическую?

Оказалось, что можно

Всем нам хорошо знакома электрическая батарейка. Это гальванический элемент. Главный принцип работы такого элемента — превращение химической энергии в электрическую. Высокий к.п.д., бесшумность, надежность, отсутствие подвижных частей — все это замечательные качества элемента. Но, подобно батарейке, любой гальванический элемент, даже очень мощный, недолговечен. Отдавая химическую энергию, растворяется его катод, напряжение элемента падает, а затем исчезает совсем. Желая продлить жизнь элемента, мы должны делать его катодную пластину очень большой и тяжелой: ведь именно в ней заключен запас топлива. Но тогда получается громоздкая, дорогая установка, возвращающая нас в прошлое техники.

А если не погружать в банку элемента сразу весь запас топлива, а подавать его туда постепенно и там превращать его энергию в электричество? Впервые мысль эта пришла русскому ученому П. Н. Яблочкову. Он поставил много опытов, но результата не добился. Топливные элементы были созданы лишь 70 лет спустя.

Ученые вспомнили о том, что электрический ток, проходя через воду, легко разлагает ее на водород и кислород. Такие опыты делают в каждой школе. Так нельзя ли сделать наоборот — заставить кислород и водород соединяться в молекулы воды? При этом, оказывается, возвращается то, что мы затрачиваем на разложение воды, — электрическая энергия!

Первые топливные элементы работали на водороде и кислороде

Оба эти газа подавались по трубкам в ванну с едкой щелочью. Там после нескольких химических реакций получалась вода и на опущенных в ванну электродах появлялась разность потенциалов — электрическое напряжение. В таком элементе топливом служит водород, который окисляется кислородом. В результате получаются вода и электрическая энергия. Образно говоря, водород сжигается без огня; в самом деле, ведь любое горение — это окисление топлива кислородом.

Один такой элемент действовал в лаборатории несколько лет и ни на минуту не снизил мощности, правда, пока довольно маленькой. А его к.п.д. оказался равным 76%. Именно такой высокий к.п.д. привлекает сейчас к топливным элементам всеобщее внимание. Дело в том, что его можно повышать и дальше, до 90%! Такой экономичности не дает никакое другое энергетическое превращение.

Плохо, конечно, что топливом служит водород: он довольно дорог, требует осторожного обращения, тяжелых баллонов для перевозки. Но уже построены топливные элементы, где сжигается без огня более удобное топливо, например нефтяной газ пропан. Ученые считают, что со временем в топливных элементах можно будет расходовать разные виды топлива — не только газы, но и жидкости, а может быть, — кто знает! — и твердые «поленья». Это будет великим достижением электроэнергетики.

Вот уже почти столетие ученые многих стран ищут пути прямого преобразования химической энергии дешевого топлива в электрическую. Создать топливные элементы оказалось чрезвычайно трудно. Во-первых, обычное топливо так медленно поддавалось электрохимическому окислению, что о мало-мальски приемлемой мощности не могло быть и речи. Во-вторых, топливные элементы были чрезвычайно недолговечными. Их свойства быстро ухудшались, электрические характеристики падали, и элементы теряли всякую работоспособность. До середины 20 века проблема создания надежных и эффективных топливных элементов многим казалась почти неразрешимой и бесперспективной.

Но энтузиасты-исследователи продолжали развивать теоретические основы электрохимии, они искали новые материалы и новые катализаторы, и их исследования увенчались успехом, о чем свидетельствуют регулярно появляющиеся новые образцы топливных элементов.

Как же они устроены?

Топливный элемент существенно отличается от обычного гальванического элемента старого типа. Топливо и окислитель, необходимые для электрохимической реакции, не закладываются в него заранее, а непрерывно подводятся к нему в процессе работы. Для удобства подвода компонентов желательно, чтобы они были в газообразном или жидком состоянии. От тепловой машины топливный элемент отличается тем, что окисление происходит в нем не химическим путем (путем горения), а электрохимическим.

При обычном химическом окислении электроны с молекул топлива переходят на частицы окислителя. Если бы этот переход был упорядочен, т. е. совершался преимущественно в одном направлении, мы получили бы электрический ток. Но в пламени частицы топлива и окислителя перемешаны, и электронный переход совер-шается хаотично, во всех направлениях. Энергия процесса рассеивается в виде тепла.

Смысл электрохимического окисления как раз и заключается в упорядочении электронных переходов. Для этого, прежде всего, необходимо разделить частицы топлива и окислителя. Топливо и окислитель подводятся к электродам, на которых возможны электрохимические реакции выделения и присоединения электронов. Рассмотрим в качестве примера простейшую электрохимическую реакцию окисления водорода кислородом. Водород подводится к электроду, выбранному так, чтобы на нем могла протекать реакция окисления водорода с образованием водородных ионов и электронов.

Другой электрод выбирается таким образом, чтобы на нем подаваемый кислород мог восстановиться в воду.

Если соединить электроды металлическим проводником (электрической цепью), то реакции на обоих электродах все время будут протекать слева направо. Образующиеся на первом электроде электроны по внешней цепи переходят на второй электрод — по цепи течет электрический ток, совершающий электрическую работу. Электрическая цепь замыкается электролитом, в котором образующиеся ионы водорода также переносятся ко второму электроду.

Необходимая для электрической работы энергия получается за счет энергии химического процесса. Суммарной химической реакцией, протекающей на обоих электродах, является реакция образования воды.

Сложность создания топливных элементов заключается в подборе электродов (и электролита), которые были бы достаточно активны. Для увеличения скорости электрохимических реакций, как и для реакций химических, часто используют катализаторы. Катализаторы находятся на поверхности или в порах электродов; чтобы они не теряли свою активность и служили как можно дольше, ХИМРШИ подвергают их специальной обработке.

Водородно-кислородный элемент

Основа простейшего водородно-кислородного топливного элемента — два электрода, на которых происходят электрохимические реакции ионизации газов. Электроды имеют вид тонких пористых дисков, получаемых прессованием и спеканием металлических порошков, чаще всего никелевого порошка. В электрод (либо в процессе изготовления, либо потом) введен катализатор. Электроды укрепляют в ячейке так, чтобы с одной стороны они соприкасались с раствором электролита. Края электродов тщательно герметизированы.

Через обратную сторону к электродам подаются газы: к одному — водород, к другому — кислород. Газы нагнетают под слегка повышенным давлением, так что они частично вытесняют электролит из пор электродов. Таким образом, внутри пористого электрода создаются участки контакта трех тел — твердого электрода, жидкого электролита и газообразного реагента (водорода или кислорода). Вблизи этих так называемых трехфазных границ раздела и происходит токообразующая электрохимическая реакция. От электродов ток с помощью специальных токоотводов отводится во внешнюю цепь.

В качестве электролита в водородно-кисло-родных элементах обычно применяют сорокапроцентный раствор щелочи КОН. Рабочая температура поддерживается равной 70—100°Ц.

Если внешняя цепь разомкнута, то электроны, естественно, не могут перейти с одного электрода на другой: после выделения некоторого количества электронов на водородном электроде и поглощения некоторого количества электронов на кислородном процесс прекращается. Между электродами устанавливается разность потенциалов, называемая электродвижущей силой (э. д. с.) или напряжением разомкнутого элемента. Для водородно-кислородных элементов напряжение при разомкнутой цепи равно 1,0 —1,1 в, причем более отрицательным является водородный электрод (на нем электроны выделяются и частично накапливаются).

Замкнем внешнюю цепь, подключив к ней, например, лампочку

Через цепь пойдет ток. Возобновившиеся реакции ионизации газов поддержат его. Но во время прохождения тока напряжение элемента несколько снизится; чем больше будет ток, тем ниже напряжение. Практически допускают снижение напряжения до 0,7 в. Ток, при котором это напряжение достигается, считается максимальным разрядным током данного элемента.

Величина максимального разрядного тока элемента зависит прежде всего от величины поверхности электродов и от их каталитической активности. Для сравнения элементов разных размеров очень удобно рассчитать величину плотности электрического тока, т. е. тока, снимаемого с единицы поверхности электродов. Для водородно-кислородных элементов в зависимости от катализаторов и условий работы максимальная плотность тока может колебаться от 50 до 500 (и более) миллиампер на квадратный сантиметр поверхности электрода.

Электроды

Батарея водородно-кислородных элементов. Мощность ее 5 кВт. Для практического использования электрической энергии требуется, как правило, сравнительно высокое напряжение. Автомобильная аппаратура работает при напряжении в 12В, самолетная — в 28В. Чтобы получить такие напряжения, несколько элементов соединяют последовательно в батарею.

Высокотемпературные топливные элементы

Электрохимическое окисление топлива не всегда протекает гладко. Такие распространенные и дешевые виды топлива, как генераторный СО или природный газ СН4, реагируют на электродах значительно хуже, чем водород. Даже самые активные катализаторы лишь в незначительной степени ускоряют эти реакции. А малая скорость реакции означает меньшую величину плотности тока и, следовательно малую мощность.

Возможность для проведения этих реакций с достаточной скоростью дает использования высоких температур, например 500° или даже 1000° Ц. Но тут возникает новая трудность: при высоких температурах вода испаряется мгновенно, водный раствор электролита оказывается неподходящим.

Электролитами могут служить либо расплавы солей (например, смесь углекислых солей натрия, калия и лития, плавящаяся при температуре чуть ниже 500° Ц), либо твердые электролиты.

Таким твердым электролитом может быть, например, двуокись циркония, содержащая некоторые примеси. При температурах около 800—1000° Ц благодаря подвижности отрицательных ионов кислорода О2 она начинает хорошо проводить электрический ток (катионы не перемещаются и ток не переносят), Наличие такой «кислородной» проводимости влияет на характер электрохимических реакций, протекающих на электродах. Если построить элемент описанного выше типа — вместо раствора КОН взять в качестве электролита двуокись циркония — и подводить к одному электроду окись углерода, а ко второму кислород, то при температурах около 1000° Ц молекулы кислородного электрода станут принимать электроны из внешней цепи, превращаясь в отрицательные ионы, а молекулы СО топливного электрода соединяются с ионами О2 из твердого электролита, образуя углекислый газ и отдавая электроны во внешнюю цепь:

Электрический ток во внешней цепи обусловлен переходом электронов от отрицатель-ного (топливного) электрода к положительному (кислородному) электроду; этот ток компенсируется движением ионов О2 в твердом электролите в обратном направлении.

Такие высокотемпературные топливные элементы, питаемые генераторным газом и кислородом, могут работать при плотностях тока 50— 150 ма/см2, выдавая напряжение около 0,5 в на элемент.

Топливные элементы выходят из лабораторий, но предстоит большая работа по их усовершенствованию, повышению их стабильности и упрощению технологии их изготовления. Но уже можно сказать, что вопрос непосредственного преобразования химической энергии топлива в электрическую принципиально решен, и в недалеком будущем различные типы топливных элементов найдут широкое применение.

Конечно, заманчивее всего было бы создать на базе топливных элементов большие электростанции, вырабатывающие электрическую энергию из природного топлива или продуктов его переработки. Основой таких электростанций явятся высокотемпературные топливные элементы с расплавленным или твердым электролитом. Топливом для элементов послужит либо природный газ, либо генераторный газ, получающийся при газификации твердого топлива. Твердое топливо при температуре около 700°Ц обрабатывают углекислым газом, в результате чего образуется окись углерода. Окись углерода поступит в топливный элемент, где окислится в углекислый газ:

2 СО + 02->2С02

Электростанция будет состоять из большого количества совершенно одинаковых элементов, что значительно упростит ее строительство. На станции почти совсем не будет движущихся и вращающихся механизмов. Постоянный ток, вырабатываемый топливными элементами, поступит к мощным полупроводникам преобразователя, вырабатывающим почти без потерь переменный ток промышленной частоты.

Трудно сказать, сколько потребуется времени для осуществления этого, но несомненно, что когда-нибудь невыгодный процесс химического сжигания топлива будет заменен электрохимическим «холодным горением».

Топливные элементы найдут применение также в малой энергетике, и при этом раньше, чем в большой. В сельских районах перестанут стучать многочисленные «дизели», уступив свое место бесшумным электрохимическим установкам.

Очень интересна перспектива применения топливных элементов в автомобилях. Автомобили с электрическими двигателями, питаемыми от топливных элементов, не будут отравлять воздух городов вредными выхлопными газами. Создание различных топливных элементов электрохимия считает одной из своих важнейших задач. Ее успешное решение способно преобразить многие отрасли техники.

Просто о сложном – Топливные элементы для выработки электроэнергии для производства электроэнергии

Галерея изображений, картинки, фотографии.
Топливные элементы для выработки электроэнергии – основы, возможности, перспективы, развитие.
Интересные факты, полезная информация.
Зеленые новости – Топливные элементы для выработки электроэнергии.
Ссылки на материалы и источники – Топливные элементы для выработки электроэнергии для производства электроэнергии.

greensource.ru

Откуда берется электричество? Источники электроэнергии

Жизнь современного человека организована таким образом, что ее инфраструктурное обеспечение задействует множество компонентов с разными технико-функциональными свойствами. К таким относится и электроэнергия. Рядовой потребитель не видит и не ощущает, как именно она выполняет свои задачи, но конечный результат вполне заметен в работе бытовой техники, да и не только. При этом вопросы, касающиеся того, откуда берется электричество, в представлении многих пользователей тех же домашних приборов остаются нераскрытыми. Для расширения знаний в этой области стоит начать с понятия об электроэнергии как таковой.

Что такое электричество?

Сложность данного понятия вполне объяснима, так как энергию невозможно обозначить как обычный предмет или явление, доступное визуальному восприятию. При этом существуют два подхода к ответу на вопрос о том, что такое электричество. Определение ученых гласит, что электричество является потоком заряженных частиц, который характеризуется направленным движением. Как правило, под частицами понимаются электроны.

В самой же отрасли энергетики чаще рассматривают электроэнергию как продукт, вырабатываемый подстанциями. С этой точки зрения имеют значение и элементы, которые непосредственно участвуют в процессе формирования и передачи тока. То есть в данном случае рассматривается энергетическое поле, создаваемое вокруг проводника или другого заряженного тела. Чтобы приблизить такое понимание энергии к реальному наблюдению, следует разобраться с таким вопросом: откуда берется электричество? Существуют разные технические средства для производства тока, и все они подчинены одной задаче — снабжению конечных потребителей. Впрочем, до момента, когда пользователи смогут обеспечить свои приборы энергией, она должна пройти несколько этапов.

Выработка электричества

На сегодняшний день в сфере энергетики применяется порядка 10 видов станций, которые обеспечивают генерацию электричества. Это процесс, в результате которого происходит преобразование определенного вида энергии в токовый заряд. Иными словами, электричество формируется в ходе переработки другой энергии. В частности, на специализированных подстанциях используют в качестве основного рабочего ресурса тепловую, ветреную, приливную, геотермальную и другие виды энергии. Отвечая на вопрос относительно того, откуда приходит электричество, стоит отметить инфраструктуру, которой обеспечена каждая подстанция. Любой электрогенератор обеспечен сложной системой функциональных узлов и сетей, которые позволяют аккумулировать вырабатываемую энергию и готовить ее для дальнейшей передачи на узлы распределения.

Традиционные электростанции

Хотя за последние годы тенденции в энергетике меняются быстрыми темпами, можно выделить основные виды электростанций, работающих по классическим принципам. В первую очередь это объекты тепловой генерации. Выработка ресурса производится в результате сгорания органического топлива и последующего преобразования выделяемой тепловой энергии. При этом существуют разные виды таких станций, в числе которых теплофикационные и конденсационные. Главным отличием между ними является возможность объектов второго типа также генерировать и тепловые потоки. То есть при ответе на вопрос о том, откуда берется электричество, можно отметить и станции, которые параллельно производят и другие виды энергии. Кроме тепловых объектов выработки, достаточно распространены гидро- и атомные станции. В первом случае предполагается преобразование энергии от движения воды, а во втором — в результате деления атомов в специальных реакторах.

Альтернативные источники энергии

К данной категории источников энергии принято относить солнечные лучи, ветер, земельные недра и т. д. Особенно распространены различные генераторы, ориентированные на аккумуляцию и преобразование в электричество солнечной энергии. Подобные установки привлекательны тем, что их может использовать любой потребитель в объемах, требуемых для снабжения его дома. Впрочем, широкому распространению подобных генераторов мешает высокая стоимость оборудования, а также нюансы в эксплуатации, обусловленные зависимостью рабочих фотоэлементов от интенсивности света.

На уровне крупных энергетических компаний активно развиваются ветряные альтернативные источники электричества. Уже сегодня целый ряд стран использует программы постепенного перехода на этот вид энергообеспечения. Впрочем, и в данном направлении есть свои препятствия, обусловленные маломощностью генераторов при высокой стоимости. Относительно новым альтернативным источником энергии является естественное тепло Земли. В данном случае станции преобразуют тепловую энергию, полученную из глубин подземных каналов.

Распределение электроэнергии

После выработки электроэнергии начинается этап ее передачи и распределения, который обеспечивается энергосбытовыми компаниями. Поставщики ресурса организуют соответствующую инфраструктуру, основу которой составляют электрические сети. Существует два вида каналов, по которым реализуется передача электричества, — воздушные и подземные кабельные линии. Данные сети являются конечным источником и главным ответом на вопрос о том, откуда берется электричество для разных нужд пользователей. Организации-поставщики прокладывают специальные трассы для организации сетевого распределения электроэнергии, используя при этом разные виды кабелей.

Потребители электричества

Электроэнергия требуется для самых разных задач как в бытовом хозяйстве, так и в промышленном секторе. Классическим примером использования данного носителя энергии является освещение. Однако в наши дни электричество в доме служит для обеспечения работы более широкого спектра приборов и оборудования. И это лишь небольшая часть потребностей общества в энергоснабжении.

Данный ресурс также требуется для поддержания работы транспортной инфраструктуры: для обслуживания линий троллейбусов, трамваев и метро и т. д. Отдельно стоит отметить промышленные предприятия. Заводы, комбинаты и перерабатывающие комплексы зачастую требуют подключения огромных мощностей. Можно сказать, это самые крупные потребители электроэнергии, использующие данный ресурс для обеспечения работы технологического оборудования и местной инфраструктуры.

Управление объектами электроэнергетики

Помимо организации электросетевого хозяйства, которое технически обеспечивает возможность передачи и распределения энергии для конечных потребителей, работа данного комплекса невозможна без систем управления. Для реализации этих задач поставщики используют оперативно-диспетчерские пункты, сотрудники которых реализуют централизованный контроль и управление работой вверенных им объектов электроэнергетики. В частности, подобные службы контролируют параметры сетей, к которым подключаются потребители электроэнергии на разных уровнях. Отдельно стоит отметить и отделы диспетчерских пунктов, которые выполняют техобслуживание сетей, предотвращая износы и восстанавливая повреждения на отдельных участках линий.

Заключение

За все время существования энергетическая отрасль претерпела несколько этапов своего развития. В последнее время наблюдаются новые перемены, обусловленные активным освоением альтернативных источников энергии. Успешное развитие этих направлений уже сегодня дает возможность использовать электричество в доме, полученное от индивидуальных бытовых генераторов независимо от центральных сетей. Впрочем, и в этих отраслях есть определенные сложности. В первую очередь они связаны с финансовыми затратами на закупку и монтаж соответствующего оборудования — тех же солнечных панелей с аккумуляторами. Но поскольку энергия, вырабатываемая от альтернативных источников, является полностью бесплатной, то перспективы дальнейшего продвижения этих областей сохраняют актуальность для разных категорий потребителей.

fb.ru

Использование геотермальной энергии для выработки электроэнергии

Развитие геотермальной электроэнергетики

Одним из важных направлением использования тепла термальных вод является преобразование его в электрическую энергию. Относительная независимость от потребителей, экономичность при умеренной мощности и особая ценность электрической энергии обусловили приоритетное развитие ГеоЭС. Во многих странах достигнуты значительные успехи в этой области. Принято считать, что если температура геотермального флюида ниже 100 ◦C, то его целесообразно использовать только для теплоснабжения. Более высокотемпературные источники пригодны для производства электроэнергии. Легкодоступных геотермальных месторождений с температурой более 100 ◦C на земном шаре сравнительно немного.

Мировой потенциал изученных на сегодня геотермальных ресурсов составляет 0,2 ТВт электрической и 4,4 ТВт тепловой мощности. Примерно 70% этого потенциала приходится на месторождения с температурой флюида менее 130 ◦C. По оценкам, сегодня используется около 3,5% мирового геотермального потенциала для выработки электроэнергии и только 0,2% — для получения тепла.

Первая геотермальная электростанция (ГеоЭС) с экспериментальным генератором мощностью 10 кВт была сооружена в 1904 г. в Лардерелло (Италия).

Новейшие энергетические технологии с использованием геотермальных ресурсов отличаются экологической чистотой и по эффективности приближаются к традиционным. На ГеоЭС, использующих ГЦС-технологию и бинарный цикл (БЭС), полностью исключаются выбросы диоксида углерода в атмосферу, что является важнейшим экологическим преимуществом таких энергетических установок.

Развитие геотермальной электроэнергетики мира характеризуется следующими данными. За 60 лет с 1940 по 2000 г. установленная мощность геотермальных электростанций увеличилась с 130 МВт до 7974 МВт, т. е. в 61 раз. За пять лет с 1995 по 2000 г. рост установленной мощности составил 17%, т. е. немногим более 3% в год. К началу 2005 г. ГеоЭС работают в 24 странах мира, суммарная установленная мощность достигла 8910,7 МВт. С 2000 по 2005 гг. увеличение мощности составило 12 %. Ситуация по различным странам представлена в таблице 1.

Лидерами по установленной электрической мощности ГеоЭС являются США — 2544 МВт, Филиппины — 1931, Мексика — 953, Индонезия — 797, Италия — 790, Япония — 535, Новая Зеландия — 435, Исландия — 202 МВт. Годовая выработка электроэнергии на ГеоЭС мира в 2004 г. составила 56798 ГВт · ч.

В конце 2008 г. суммарная мощность ГеоЭС во всем мире выросла до 10500 МВт. Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии остается США, с суммарной мощностью ГеоЭС до 3000 МВт.

Геотермальная электроэнергетика по установленной мощности является значительной частью возобновляемой энергетики, развивается умеренными темпами (3–5% в год) и является одной из самых экономически эффективных технологий.

ГеоЭС, уступая ветровым в суммарной установленной мощности, существенно превосходят их по выработке электроэнергии (70 против 27 %), что свидетельствует о высокой эффективности геотермальных энергетических технологий.

Результаты анализа технико-экономических показателей технологий производства электричества с использованием различных ВИЭ свидетельствуют о существенных преимуществах ГеоЭС. Так на современных ГеоЭС самый высокий в нетрадиционной энергетике коэффициент использования мощности достигает 90%, что в 3–4 раза выше, чем для технологий с использованием солнечной, ветровой и приливной энергии.

Стоимость производимой на современных ГеоЭС электроэнергии ниже в среднем на 30%, чем на ветровых, и в 10 раз, чем на солнечных электростанциях. Преимуществом ГеоЭС также является приемлемый уровень удельных капвложений — около 1000–3000 $/кВт установленной мощности.

В таблице 2 приведены страны, в которых геотермальная электроэнергия составляет заметную долю в суммарном производстве электроэнергии.

Существующие ГеоЭС в основном используют природный пар, добываемый на месторождениях в районах современного вулканизма.

Первая в мире бинарная электростанция (Паратунская ГеоЭС) построена в 1967 г. на Камчатке. После этого разработка отечественных ученых получила широкое распространение в мире, и в настоящее время в разных странах работают более 1000 бинарных энергоблоков.

Применение рабочих тел с низкой температурой кипения в циклах бинарных электростанций увеличивает эффективность использования среднепотенциальных вод и открывает широкие возможности для решения проблемы энергообеспечения удаленных регионов России.

В 1967 г. на юге Камчатки была построена Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт, которая и сегодня продолжает производить самую дешевую электроэнергию, обеспечивая ею район пос. Озерная. С 1999 г. находится в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт, где в ближайшее время планируется увеличение ее мощности до 19 МВт благодаря строительству дополнительного энергетического блока с комбинированным циклом (паровая турбина мощностью 2,5 МВт и бинарная установка на изопентане 4,5 МВт). Верхне-Мутновская ГеоЭС рассматривается как опытно-промышленная электростанция в развитии геотермальной энергетики России.

Таблица 1. — Рост установленной мощности геотермальной электроэнергетики в странах мира, МВт

Таблица 2. — Производство электроэнергии на ГеоЭС (в скобках доли ГеоЭС, %, в установленной мощности и в производстве электроэнергии в стране)

В основу создания Верхне-Мутновской ГеоЭС заложена экологически чистая схема использования геотермального теплоносителя с воздушными конденсаторами, которая позволяет отобрать энергию от пара в турбинах, а конденсат направить в скважины закачки, что позволяет избежать попадания теплоносителя в атмосферу.

Двухфазный поток из трех добычных скважин направляется по трубопроводам в коллектор, а далее после двухступенчатой системы разделения фаз из сепараторов пар поступает к трем энергоблокам мощностью по 4 МВт каждый. Пар перед турбинами при давлении P0 = 0,8 МПа и температуре 170 ◦C практически осушен полностью, степень его влажности не превышает 0,05 %.

Горячая вода после сепараторов направляется в расширитель, где испаряется при давлении 0,4 МПа. Образующийся пар используется в эжекторах для удаления неконденсирующихся газов и в первую очередь сероводорода. Сероводород, удаленный из конденсатора, поступает в абсорбер, где растворяется в конденсате и далее эта смесь для закачки направляется в нагнетательную скважину.

В октябре 2002 г. пущены в строй 1-й и 2-й блоки Мутновской ГеоЭС-1 мощностью 50(2 × 25) МВт — лучшей геотермальной электростанции в мире по экологическим параметрам и уровню автоматизации.

Создание и пуск в эксплуатацию модульных геотермальных электрических и тепловых станций, а также создание ГеоЭС с комбинированным циклом вновь вводят Россию в число передовых стран в области геотермальной энергетики. На Мутновском геотермальном месторождении сегодня успешно работают 5 геотермальных энергоблоков. Общая установленная электрическая мощность ГеоЭС России составляет 73 МВт, и имеются реальные перспективы для дальнейшего наращивания мощности.

Перспективы развития геотермальной электроэнергетики обусловлены ее конкурентоспособностью и рядом преимуществ по сравнению с традиционной энергетикой, среди которых — экологическая чистота, отсутствие транспортных расходов на доставку топлива и относительно короткие сроки строительства. Количество выбросов в атмосферу диоксида углерода на ГеоЭС в несколько десятков раз ниже, чем на ТЭС, работающих на угле, мазуте и природном газе, и полностью исключаются на современных ГеоЭС, использующих технологию обратной закачки отработанного геотермального теплоносителя.

Технологические схемы ГеоЭС

Как уже отмечалось, ГеоЭС целесообразно сооружать, если температура геотермального флюида не ниже 100 ◦C. Высокотемпературные геотермальные ресурсы ограничены и в основном встречаются в местах молодого вулканизма и разломов земной коры. Обычно такие ресурсы относятся к парогидротермам, представляющим собой насыщенный пар с той или иной степенью сухости. Возможны различные пути использования парогидротерм в технологических схемах ГеоЭС.

Первый путь состоит в том, что пар, содержащийся в высокотемпературном флюиде, отделяют в сепараторе от жидкой фазы и направляют в паровую турбину, а жидкость закачивают обратно в пласт. Для более полного использования энергии первичного флюида целесообразно отсепарированную жидкую фазу дросселировать до более низкого давления, за счет чего образуется еще некоторое количество пара, который может быть направлен в промежуточную ступень турбины. Второй путь состоит в том, чтобы использовать первичный флюид для нагрева и испарения рабочего агента, циркулирующего во вторичном контуре бинарной ГеоЭС.

Возможна также комбинация обоих названных путей, когда отработанный в турбине пар и жидкий сепарат используются для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента, циркулирующего в низкотемпературном контуре в цикле Ренкина.

В большинстве существующих ГеоЭС используется первый путь.

На рисунке 1 приведены принципиальные тепловые схемы ГеоЭС, которые зависят от качества геотермального теплоносителя (температуры, паросодержания, минерализации и т. д.).

В схеме а сухой пар из скважин после отделения в сепараторе твердых включений направляется непосредственно в турбину, оттуда в конденсатор поверхностного типа. Охлажденный конденсат закачивается обратно в пласт.

В схеме б пароводяная смесь поступает в сепаратор-расширитель, в котором пар отделяется от жидкости и направляется в турбину, а отделенная жидкость и конденсат из конденсатора закачиваются обратно в пласт.

В бинарном (двухконтурном) цикле (схема в) геотермальный теплоноситель передает теплоту в промежуточных теплообменниках другому рабочему телу.

Бинарный цикл имеет свои преимущества и недостатки. К преимуществам относятся:

более полное использование теплоты рассола и закачка его в пласт с меньшей температурой;
возможность использования геотермальных ресурсов с пониженной температурой для выработки электроэнергии;
агрессивные компоненты геотермального теплоносителя не попадают в турбину, конденсатор и другое оборудование, что обеспечивает более длительный срок их эксплуатации;
сопутствующие вредные газы не попадают в окружающую среду.

Недостатком цикла является усложнение схемы и некоторая потеря температурного (обычно и без того достаточно низкого) потенциала, поскольку для передачи тепла от флюида к рабочему телу необходима разность температур. Нижняя температура цикла в этом случае лимитируется возможностью выпадения из флюида, по мере его охлаждения растворенных в нем солей.

На рисунке 2 приведена тепловая схема ГеоЭС с тремя расширителями. Использование расширителей усложняет схему, обусловливает необходимость использования трех паровпусков в турбину, но позволяет существенно повысить выработку электроэнергии на единицу массы рассола, поднимаемого из скважины. Прирост мощности ГеоЭС с двумя ступенями расширения по сравнению с ГеоЭС с одной ступенью достигает 20%, а для ГеоЭС с тремя ступенями — 27%.

Идея применения неводяных паров в качестве рабочих тел теплосиловых установок для выработки электроэнергии впервые была реализована в России. В 1965 г. была изготовлена и пущена в работу фреоновая энергетическая установка УЭФ-90/05 мощностью 750 кВт для выработки электроэнергии. Греющей средой для установки служила геотермальная вода Средне-Пратунского месторождения с температурой 80 ◦C.

В течение 1967–1974 гг. на Камчатке в лаборатории натурных испытаний Института теплофизики СО АН СССР проводились эксплуатационные исследования, подтвердившие надежную работу энергоустановки. Успешные испытания по использованию низкокипящего вещества на Паратунской ГеоЭС расширили область эффективного преобразования тепловой энергии низкого потенциала в электрическую, позволили повысить глубину использования теплоты энергоресурсов.

Технологическая схема Паратунской ГеоЭС (рисунок 3) реализует цикл Ренкина, который совершается низкокипящим рабочим телом (R12) в закрытом теплосиловом контуре, в котором за счет теплоты термальной воды образуется пар заданных параметров. В соответствии со схемой жидкий фреон питательным насосом подается последовательно в три подогревателя, испаритель и пароперегреватель поверхностного типа. После пароперегревателя фреоновый пар с давлением 1,4 МПа и температурой 75 ◦C направляется в турбину, где расширяется до конечного давления 0,5 МПа и при температуре 15 ◦C конденсируется в поверхностном конденсаторе. Жидкий фреон поступает через промежуточный ресивер к питательным насосам, и цикл повторяется.

На рисунке 4 приведена тепловая схема предполагаемого IV-го энергетического блока мощностью 6,5 МВт с комбинированным циклом для опытно-промышленной Верхне-Мутновской ГеоЭС, на которой успешно работают три энергетических блока с традиционным циклом на геотермальном паре мощностью 4 МВт(э) каждый.

Турбина 4 мощностью 2,5 МВт работает на геотермальном паре, получаемом при сепарации пароводяной смеси, поступающей с добычных скважин. Водяной пар после турбины при давлении 0,11 МПа и температуре около 100 ◦C поступает в конденсатор-испаритель 7, где конденсируется, отдавая тепло на подогрев и испарение низкокипящего рабочего агента циркулирующего во втором контуре. Низкокипящий теплоноситель (изобутан) после пароперегревателя 8 поступает на турбину мощностью 4,0 МВт(э). Охлажденный в воздушном конденсаторе 9 низкокипящий теплоноситель поступает в ресивер 10, откуда циркуляционным насосом 11 направляется в конденсатор-испаритель 7. Сепарат после перегревателя 8 и конденсат геотермального пара из испарителя 7 направляются к нагнетательной скважине 12 для закачки по скважине 2 в подземный горизонт.

Наибольший эффект от использования геотермальных ресурсов достигается при одновременном тепло- и электроснабжении небольших городов и поселков, удаленных от централизованной системы энергообеспечения.

В качестве примера на рисунке 5 представлена схема тепло- и электроснабжения небольшого поселка населением 5000 человек на основе небольшой ГеоТЭЦ. Она построена в Австрии и имеет тепловую мощность 9 МВт и электрическую мощность 1 МВт, а протяженность тепловых сетей достигает 14,5 км.

Термальная вода температурой 106 ◦C и расходом 100 л/с на поверхности разделяется на два потока. Первый поток проходит через теплообменники системы отопления домов и нагревает воду, циркулирующую в тепловой сети. Второй поток направляется к блоку теплообменников бинарной ГеоЭС, где температура воды снижается до 70 ◦C прииспарении и перегреве низкокипящего рабочего тела, циркулирующего в цикле Ренкина. Далее этот же поток поступает в теплообменник системы теплоснабжения школы и плавательного бассейна.

Отработанная термальная вода после теплообменников по нагнетательной скважине возвращается в геотермальный резервуар с температурой 65 ◦C на расстоянии 1700 м от добычной скважины.

Строительство ГеоТЭЦ позволило радикальным образом улучшить экологическую обстановку в районе г. Алтхейма. При этом в год экономится около 2500 т жидкого топлива.

Представляет интерес опыт эксплуатации геотермальной станции Neustadt-Glewe (Германия). Энергетическая система, пущенная в эксплуатацию в 1995 г., удовлетворяет потребности в тепле микрорайона г. Neustadt-Glewe. Установленная тепловая мощность системы — 6 МВт. Система включает циркуляционный контур, состоящий из добычной и нагнетательной скважин, и наземный контур теплоснабжения. Эксплуатируется верхний триасовый пласт песчаника, характеризующийся следующими параметрами: глубина залегания — 2200–2300 м; толщина пласта — 40–60 м; температура — 100 ◦C; минерализация — 220 г/л; пористость — 20–22%; проницаемость — (0,5–1,0) · 10−12 м2; производительность — 110–180 м3/(ч · МПа).

Эксплуатация геотермальной станции в основном подтвердила ее концепцию: материал и оборудование выдержали высокие температуры и солесодержание. Проблемы, связанные с отложением солей при реинжекции термальных вод, могут быть решены с помощью их мягкой кислотной обработки.

Геотермальный потенциал станции не использовался эффективно вследствие ограниченных возможностей потребителей и особенностей системы теплоснабжения. Максимально дебит скважины используется только несколько дней в году. Летом и в переходные периоды года глубинный насос работает в основном с минимальной нагрузкой, с расходом до 40 м3/ч.

Для более эффективного использования геотермального потенциала в 2003 г. станция была дополнена предвключенным бинарным энергоблоком по выработке электроэнергии. Принципиальная схема такой расширенной станции показана на рисунок 6.

Такая система позволяет максимально использовать эксплуатационный дебит, равный 110 м3/ч. Часть термальной воды, неиспользованная для подачи тепла, направляется в блок с циклом Ренкина на органическом рабочем теле, где она охлаждается до 70 ◦C. Регулирование разделения термальной воды на два потока и температуры термальной воды после их смешения зависит от температуры в теплосети после противоточного теплообменника. Номинальная электрическая мощность энергоблока — 0,21 МВт. Рабочим телом в цикле Ренкина является изопентан (C5h22), который расширяется в одноступенчатой турбине.

На рисунке 7 представлена принципиальная схема ГеоЭС с двойным циклом, реализованная в одном из западных штатов США.

Геотермальный флюид с температурой 280 ◦C и массовым расходом 278 кг/с последовательно направляется в испаритель и нагреватель первичного контура, где при передаче теплоты происходит нагрев и испарение воды при температуре 215 ◦C. Далее насыщенный пар направляется в паровую турбину мощностью 33,4 МВт. Отработанный в первичном контуре геотермальный теплоноситель с температурой 167 ◦C также последовательно проходит через испаритель и нагреватель вторичного контура, после чего с температурой 66 ◦C закачивается в подземный резервуар. В изобутановом цикле пары изобутана при температуре 125 ◦C направляются на турбину мощностью 22,3 МВт для выработки электроэнергии.

energy.zp.ua

Устройство для выработки электроэнергии

Изобретение относится к устройствам для выработки электроэнергии. Устройство для выработки электроэнергии содержит вертикальную опорную башню и ротационный механизм. Башня имеет верхнюю и нижнюю платформы. Они формируют соответствующие водяные баки. Бак верхней платформы имеет дно с выпускным отверстием. Внутреннее пространство между верхней и нижней платформой формирует, по меньшей мере, одну камеру. Она расположена в вертикальном направлении между водяными баками. Башня также снабжена горизонтальной перегородкой. Она расположена, в основном, по горизонтали во внутреннем пространстве и формирует дно каждой камеры. Каждая перегородка формирует выпускное отверстие. Ротационный механизм расположен в каждой камере и содержит множество ковшей и вращающийся вал. Ковши имеют открытые части. Эти части расположены под различными углами. Вал прикреплен к ковшам и оперативно соединен с валом одного генератора мощности. Водяной бак верхней платформы служит для заполнения его водой и обеспечивает протекание потока воды вниз в следующую расположенную ниже камеру через выпускные отверстия для выработки электроэнергии. Изобретение позволяет создать устройство, которое работает циклически без электропитания от внешнего источника пусковой мощности и обеспечивает непрерывную подачу электроэнергии. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

(a) Область техники

Настоящее изобретение относится к устройствам для выработки электроэнергии и, в частности, к устройству для выработки электроэнергии, которое работает циклически и обеспечивает непрерывную подачу электроэнергии без потребления энергии от внешнего источника для начала работы этого устройства.

(b) Описание известных аналогов

Для выработки гидроэнергии при использовании технически выполнимой системы требуется большая гидроустановка типа водяной мельницы. Водяная мельница часто состоит из нескольких групп и требует значительного расхода воды, чтобы гарантировать должную мощность для привода генератора мощности, соединенного с водяной турбиной. Эта система имеет высокую стоимость. Кроме того, устройство с водяной турбиной часто ограничено местом, где имеется достаточный приток воды или доступный источник гидравлической энергии.

Что касается выработки электроэнергии с помощью энергии ветра, то мощная ветроэнергетическая установка большого размера монтируется в верхней части вертикальной опоры и получает кинетическую энергию от сильного потока воздуха, который вращает ротор ветроэнергетической установки, чтобы, в свою очередь, привести в движение генератор мощности, соединенный с ветроэнергетической установкой. Строительство ветроэнергетической установки имеет высокую стоимость и ограничено местоположением, где имеется, в основном, непрерывный поток воздуха. Иными словами, выработка энергии ветра не подходит для зон, где, в основном, ветра не бывает. Выработка энергии с помощью ядерного реактора представляет собой чистый источник мощности и не создает парникового эффекта. Однако ядерное загрязнение является потенциально серьезной проблемой в зоне, где расположена атомная электростанция. Будущее ядерной энергетики все еще дебатируется и активно осуждается сторонниками защиты окружающей среды.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основной целью настоящего изобретения является создание устройства для выработки электроэнергии, которое работает циклическим способом без электропитания от внешнего источника пусковой мощности и обеспечивает непрерывную подачу электроэнергии.

В соответствии с настоящим изобретением устройство выработки электроэнергии включает опорную башню, имеющую верхнюю платформу и нижнюю платформу, на каждой из которых установлен водяной бак. На дне водяного бака нижней платформы установлен водяной насос, который соединен с трубопроводом, который проходит до водяного бака верхней платформы. Внутреннее пространство опорной башни между верхней и нижней платформами разделено на множество вертикально расположенных камер, разделенных, в основном, горизонтальными перегородками, каждая из которых функционирует, как дно соответствующей камеры и имеет выпускное отверстие. В каждой камере имеется ротационный механизм, который установлен на дне камеры и включает множество ковшей, открытых под различными углами. Ротационный механизм имеет вращающийся вал, который соединен с валом одного генератора мощности, связанного с соответствующей камерой. Таким образом, когда водяной бак верхней платформы заполнен водой, эта вода может течь через выпускные отверстия, выполненные в дне водяного бака верхней платформы, в камеру, расположенную непосредственно под водяным баком верхней платформы, и затем последовательно в следующий водяной бак через выпускное отверстие соответствующих перегородок. Вода, текущая в каждую камеру, последовательно заполняет ковши ротационного механизма, и благодаря силе тяжести воды, заполняющей ковши, вал ротационного механизма вращается в предопределенном направлении, что, в свою очередь, приводит в движение вал одного генератора мощности, который вырабатывает электроэнергию. Вода, протекающая через все камеры, в конечном счете, заполняет водяной бак на нижней платформе, и затем эта вода закачивается водяным насосом обратно в водяной бак верхней платформы для циклической работы установки и непрерывной подачи электроэнергии.

В устройстве выработки электроэнергии по настоящему изобретению каждая перегородка, которая формирует дно каждой камеры башни, имеет вогнутую конфигурацию с выпускным отверстием в самом низком месте с тем, чтобы части перегородок, окружающие выпускные отверстия, были бы установлены с наклоном к выпускному отверстию. Это облегчает направление воды к выпускному отверстию.

В устройстве выработки электроэнергии по настоящему изобретению внутри башни установлен главный трубопровод, который соединен с внешним источником водоснабжения. Главный трубопровод соединен ответвлениями с каждой из камер. Таким образом, когда поток воды, циркулирующей в башне, по какой-либо причине (например, из-за испарения) снижается, вода может быть добавлена в систему через трубопровод, соединенный с внешним источником водоснабжения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - вертикальный поперечный разрез устройства для выработки электроэнергии, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.1А - также вертикальный поперечный разрез устройства для выработки электроэнергии по настоящему изобретению, но в виде, показанном в другом направлении;

Фиг.2 - перспективное представление ротационного механизма устройства для выработки электроэнергии по настоящему изобретению;

Фиг.3 - схематическое представление, иллюстрирующее устройство четырех ковшей ротационного механизма;

Фиг.4, 6 - вертикальный поперечный разрез устройства для выработки электроэнергии, иллюстрирующий работу этого устройства;

Фиг.5 - перспективное представление ротационного механизма, иллюстрирующее работу этого механизма для привода одного генератора мощности;

Фиг.7 - вертикальный поперечный разрез устройства для выработки электроэнергии, иллюстрирующий поступление воды из внешнего источника.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как видно на чертежах, в частности на фиг.1, 1А, 2 и 3, устройство для выработки электроэнергии, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, включает вертикальную опорную башню, в основном, обозначенную позицией 1, имеющую верхнюю часть с водяным баком 11 на верхней платформе и водяной бак 12 на нижней платформе, сформированной в основании башни 1. Водяной насос 13 установлен в водяном баке 12 нижней платформы и соединен с трубопроводом 14, который проходит вверх до водяного бака 11 верхней платформы.

Башня 1 определяет внутреннее пространство между водяным баком верхней платформы 11 и водяным баком 12 нижней платформы. Во внутреннем пространстве расположена, по меньшей мере, одна камера 15, установленная вертикально между водяным баком верхней платформы 11 и водяным баком 12 нижней платформы. Предпочтительно, как показано на чертежах, внутреннее пространство разделено на множество вертикально установленных камер 15 между водяным баком верхней платформы 11 и водяным баком 12 нижней платформы. Камеры 15 разделены, в основном, горизонтальными перегородками 16, которые размещены с интервалом по вертикали, чтобы формировать камеры 15. Каждая перегородка 16 является дном соответствующей камеры 15 и формирует выпускные отверстия 161, которые сообщены со следующей нижней камерой 15. Перегородка 16 имеет вогнутую форму с нижней областью, где выполнены выпускные отверстия 161. Таким образом, части перегородок 16, которые окружают выпускные отверстия 161, наклонены вверх в направлении от выпускного отверстия 161.

В каждой камере 15 на основания перегородки 16 установлен ротационный механизм 2. Ротационный механизм 2 состоит из множества ковшей 21, количество которых в рассматриваемом варианте равно четырем и каждый из них имеет открытую часть, направленную под различным углом. Таким образом, ковши 21 ротационного механизма 2 наклонены под различными углами. Ротационный механизм 2 включает вращающийся вал 22, который предпочтительно установлен в общем центре ковшей 21 и соединен с ковшами 21. Вращающийся вал 22 соединен с валом 31 одного генератора мощности 3, например генератора постоянного тока, через ременную передачу 23 и соответствующие шкивы (не показаны).

Расположенный вне башни 1 водопровод 17 соединен с внешним источником водоснабжения, например с городским водопроводом. Водопровод 17 включает множество ответвлений 171, каждое из которых соединено с трубопроводом 17 и проходит в каждую камеру 15, и каждое ответвление водопровода снабжено регулирующим клапаном 172. Используя упомянутые выше компоненты /элементы/ механизмы, можно создать устройство для выработки электроэнергии, которое может быть установлено, например, вниз по течению реки, морского канала подачи воды на побережье или просто под большим водохранилищем дождевой воды так, что водяной бак верхней платформы 11 постоянно наполнялся бы водой. Затем вода течет вниз через выпускные отверстия 161 каждой перегородки 16 камеры 15. Благодаря вогнутой конфигурации перегородок 16 вода направляется к выпускному отверстию 161 этой перегородки, чтобы течь в ковши 21 ротационного механизма 2 следующей нижней камеры 15. Вес воды, заполняющей ковши 21 ротационного механизма 2, приводит к вращению ротационного механизма 2 в предопределенном направлении, что, в свою очередь, приводит в движение вал 31 одного из генераторов мощности 3 через ременную передачу 23 и соответствующие шкивы. Таким образом, генератор мощности 3 вырабатывает электрический ток, и полученная таким образом электроэнергия передается по электрическим проводам 32, которые соединены с генератором мощности 3, на устройство аккумулирования электроэнергии и ее последующего использования. Вода, прошедшая через все камеры 15, постепенно заполняет водяной бак 12 нижней платформы и затем перекачивается водяным насосом 13 обратно в водяной бак 11 верхней платформы для циклической работы устройства и непрерывной выработки электроэнергии.

Снова обратимся к фиг.4 и 5. В практическом применении устройство для выработки энергии по настоящему изобретению может быть расположено вниз по течению реки, морского канала подвода воды на побережье или под большим водохранилищем для дождевой воды, чтобы водяной бак верхней платформы 11 непрерывно снабжался бы водой. Вода затем течет вниз через выпускное отверстие 161 каждой перегородки 16 из камеры 15. Из-за вогнутой конфигурации перегородки 16 вода направляется к отверстию разряда 161 этой перегородки, чтобы течь в ковши 21 ротационного механизма 2 следующей нижней камеры 15. Вес воды, находящейся в ковшах 21 ротационного механизма 2, вызывает вращение ротационного механизма 2 в предопределенном направлении, что, в свою очередь, приводит во вращение вал 31 генератора мощности 3 через ременную передачу 23 и связанные с ней шкивы. Таким образом, генератор 3 генерирует электрический ток, и выработанная, таким образом, электроэнергия передается по электрическим проводам 32, соединенным с генератором мощности 3, на устройство аккумулирования энергии для ее накопления и последующего использования другими электрическими приборами или устройствами.

Как показано на фиг.6, во время процесса, при котором вода протекает через все камеры 15 через выпускные отверстия 161 в перегородках 16 и заполняет водяной бак 12 нижней платформы, в случае, если поток в водяной бак 11 верхней платформы прекращается или является недостаточным по какой-либо причине, насос 13 может быть реверсирован, чтобы временно закачать воду в водяной бак 11 верхней платформы через трубопровод 14 из водяного бака 12 нижней платформы, чтобы поддержать циркуляцию потока воды и гарантировать непрерывную работу генератора мощности 3 для непрерывной подачи электроэнергии, пока не будет возобновлено нормальное и достаточное снабжение водой водяного бака 11 верхней платформы от внешнего источника воды, когда насос 13 отключен.

Как показано на фиг.7, труба 17, расположенная вне башни 1, соединена с внешним источником водоснабжения и включает ответвления 171, которые соответственно выходят из камеры 15. Ответвления 171 снабжены регулирующими клапанами 172 так, что когда количество воды, циркулирующей через башню 1, снижается, например, в результате испарения или когда поступление воды в водяной бак 11 верхней платформы прекращено или недостаточно, регулирующие клапаны 172 открываются, чтобы добавить воду из внешнего источника водоснабжения в башню 1 для того, чтобы поддержать нормальную работу устройства для выработки электроэнергии.

1. Устройство для выработки электроэнергии, содержащее вертикальную опорную башню, имеющую верхнюю и нижнюю платформы, соответственно формирующие водяной бак верхней платформы, имеющий дно с выпускным отверстием, и водяной бак нижней платформы, при этом внутреннее пространство между верхней и нижней платформами формирует, по меньшей мере, одну камеру, расположенную в вертикальном направлении между водяным баком верхней платформы и водяным баком нижней платформы, горизонтальную перегородку, расположенную в основном по горизонтали во внутреннем пространстве и формирующую дно каждой камеры, при этом каждая перегородка формирует выпускное отверстие; и ротационный механизм, расположенный в каждой камере и содержащий множество ковшей, имеющих открытые части, расположенные под различными углами, и вращающийся вал, прикрепленный к ковшам и оперативно соединенный с валом одного генератора мощности, в котором водяной бак верхней платформы служит для заполнения его водой и обеспечивает протекание потока воды вниз в следующую расположенную ниже камеру через выпускные отверстия для того, чтобы заполнить ковши ротационного механизма упомянутой расположенной ниже камеры с тем, чтобы сила тяжести воды, заполняющей ковши, приводила бы во вращение ротационный механизм в предопределенном направлении и таким образом вращала бы вал одного генератора мощности, чтобы выработать электроэнергию.

2. Устройство для выработки электроэнергии по п.1, дополнительно содержащее водяной насос, размещенный в водяном баке нижней платформы и соединенный с трубопроводом, который проходит до водяного бака верхней платформы, при этом, когда подача воды в водяной бак верхней платформы прекращена или недостаточна, водяной насос выборочно подает воду, содержащуюся в водяном баке нижней платформы, в водяной бак верхней платформы, чтобы обеспечить поток воды вниз через камеру.

3. Устройство для выработки электроэнергии по п.1, в котором перегородка каждой камеры имеет вогнутую конфигурацию, в самой низкой точке которой сформированы выпускные отверстия, при этом части перегородок, окружающие выпускные отверстия, наклонены вверх в направлении в сторону от выпускного отверстия, чтобы облегчить направление воды к выпускному отверстию.

4. Устройство для выработки электроэнергии по п.1, дополнительно содержащее трубопровод для подачи воды, размещенный вне башни и предназначенный для соединения с внешним источником водоснабжения, при этом указанный трубопровод имеет ответвления, соединенные с каждой камерой, чтобы выборочно осуществлять дополнительную подачу воды в башню.

5. Устройство для выработки электроэнергии по п.1, в котором генератор мощности представляет собой генератор постоянного тока.

www.findpatent.ru

устройство для выработки электроэнергии - патент РФ 2354846

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

(a) Область техники

(b) Описание известных аналогов

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.3 - схематическое представление, иллюстрирующее устройство четырех ковшей ротационного механизма;

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

www.freepatent.ru

Машина и система для выработки электроэнергии за счет движения воды (варианты)

Изобретение относится к области производства электроэнергии, в частности к машине и системе для выработки электроэнергии за счет движения воды. Машина для выработки электроэнергии за счет движения воды содержит множество электрогенерирующих блоков, электрически связанных между собой и скомпонованных в модульной конструкции. Электрогенерирующие блоки выполнены взаимозаменяемыми с возможностью замены без прерывания процесса выработки машинной электроэнергии и приема ими кинетической энергии от движущейся воды и ее преобразования за счет движения турбины, имеющейся в каждом электрогенерирующем блоке. Изобретение направлено на создание малозатратных машин и систем, использующих группу небольших по мощности электрогенерирующих блоков, которые могли бы размещаться параллельно друг другу и были одновременно электрически связаны и взаимозаменяемы. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 17 ил.

Настоящее изобретение относится к области производства электроэнергии, в частности к машине и системе для выработки электроэнергии за счет движения воды.

Получение электроэнергии из водных источников остается мечтой человечества на протяжении множества веков. С этой целью использовались разнообразные средства, включая водяные колеса и гидравлические турбины. Предыдущие попытки преобразовать энергию приливно-отливного движения вод или течений в электроэнергию требовали использования крупномасштабных систем, традиционных электрогенераторов и различных видов турбин.

Недостатком известных технических решений (например, раскрытого в US 5440176) является тот факт, что используемые в настоящее время системы трудно сконфигурировать для специфических нужд, они требуют крупномасштабных сооружений и не всегда рентабельны. Они не подходят для быстрого переноса в другое место, не являются легко приспосабливаемыми с точки зрения топографии, а также не могут противостоять коррозии под воздействием воды. Вес традиционных генераторов с магнитами и медным проводом препятствует возможности их быстрой замены. Кроме того, до сих пор отсутствуют системы, которые бы использовали группу небольших по мощности вырабатывающих электричество (электрогенерирующих) блоков, которые, размещаясь параллельно друг другу, преобразовали энергию воды океана, рек или иных водных потоков в электрическую, объединяя относительно маломощные генераторы в одну крупную систему производства электроэнергии в промышленном масштабе.

Соответственно, в общем, в основу настоящего изобретения положена задача создания малозатратных машин и систем, которые бы использовали группу небольших по мощности электрогенерирующих блоков, которые могли бы размещаться параллельно друг другу одновременно электрически связанными и взаимозаменяемыми. В одном из вариантов это достигается за счет предлагаемой модульной конструкции, в других - за счет использования магнитных элементов на основе магнитополимеров или редкоземельных металлов, позволяющих уменьшить вес устройства и уменьшить затраты на их производство, что особо подходит для заменяемых модульных конструкций.

С учетом вышеизложенного, в настоящем изобретении предлагается машина для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая множество электрогенерирующих блоков, которые установлены с возможностью приема кинетической энергии от движущейся воды и преобразуют указанную энергию за счет движения турбины, имеющейся в каждом электрогенерирующем блоке. Причем электрогенерирующие блоки электрически связаны между собой и скомпонованы в качестве взаимозаменяемых модулей (с возможностью замены неисправного электрогенерирующего блока без прерывания процесса выработки всей машиной электроэнергии).

В другом варианте машина для выработки электроэнергии содержит корпус с электропроводящими обмотками, размещенное в корпусе рабочее колесо с магнитными элементами на основе магнитополимеров или редкоземельных металлов, создающими индуцированную электроэнергию при вращении рабочего колеса в корпусе, и расположенные на рабочем колесе лопасти для приема от воды кинетической энергии, причем рабочее колесо приводится во вращение движением воды через указанные лопасти.

Еще одним объектом изобретения является система для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая множество турбин, рабочие колеса которых содержат магнитные элементы на основе магнитополимеров или редкоземельных металлов, окружены электропроводящими обмотками, размещенными в корпусе вокруг рабочих колес, и приводятся во вращение движением воды, вырабатывая электроэнергию, причем турбины скомпонованы в модульной конструкции и электрически связаны между собой.

В другом варианте предлагаемая в изобретении система для выработки электроэнергии за счет движения воды содержит множество электрогенерирующих блоков, вырабатывающих по отдельности менее 5000 Вт электрической мощности, объединительный блок для удержания электрогенерирующих блоков с обеспечением их электрической связи с одним или несколькими электрогенерирующими блоками, которые расположены предпочтительно упорядоченными массивами в виде решеток (матриц), размещенными в океане по вертикали и поперек направления приливного течения океана и электрически связаны с электрической сетью и при этом установлены с возможностью замены каждого электрогенерирующего блока без прерывания процесса выработки системой электроэнергии.

Для получения электроэнергии из движения водных потоков (волн, течений, приливов, отливов и пр.) используются гидротурбины. Самостоятельно вращаясь в сужающемся сопле, рабочее колесо турбины извлекает дополнительную энергию потока воды, прошедшего другое независимое рабочее колесо турбины. Лопасти рабочего колеса турбины вращаются внутри корпуса, содержащего обмотку, изготовленную из меди, проводящего полимера или иного токопроводящего материала. Вращающееся магнитное поле, создаваемое магнитополимером, порошковыми материалами, порождающими магнитное поле, взвешенными в гомогенном или гетерогенном полимере, или традиционными магнитными материалами, такими как Fe, Co Ni, Gd, Sn, Nd, или керамикой, порождающей магнитное поле, генерирует электрическую энергию при вращении независимой турбины, содержащей магнитный материал, внутри токопроводящей обмотки. Магнитополимер отличается тем, что его магнитная характеристика существует на атомном уровне, в отличие от смеси макрочастиц, находящихся во взвешенном состоянии в полимере. Каркасная конструкция в полимерном корпусе состоит из полимера или полимера, армированного стекловолокном, углепластика или полимера, армированного нанотрубками. Эта каркасная конструкция служит опорой для центрального вала ротора турбины внутри полимерного корпуса турбины. Электрическая мощность, вырабатываемая каждой такой турбиной, должна находиться в пределах от 0,001 до 5000 Вт, но также может достигать значений порядка 100000 Вт на турбину. Электрический ток снимается с обмотки турбины и при помощи параллельного соединения подается на изготавливаемый из медного провода или электропроводящего полимера токопровод, расположенный внутри корпуса турбины. По внутреннему токопроводу электрический ток проходит от одного корпуса турбины к следующему, пока не достигнет системы сбора электроэнергии, служащей для измерения ее мощности и дальнейшей передачи в электрическую сеть. Если отдельный генератор вырабатывает от 0,001 до 100000 Вт электроэнергии, то множество генераторов, параллельно соединенных в группу по типу двумерного массива (решетки или матрицы), способны производить электроэнергию в промышленных масштабах мощностью порядка нескольких мегаватт (МВт). Поскольку такие системы изготавливаются из полимеров, керамики или цветных металлов с покрытием, и все потенциально магнитные части конструкции турбины не контактируют напрямую с водой, то такие системы не подвержены коррозии, имеют малый вес, являются переносными, дешевыми в производстве и замене и легко могут быть установлены на любой местности. Помимо этого, модульная (ячеистая) конструкция массива электрогенерирующих блоков позволяет производить ремонт и обслуживание турбин, не отключая при этом весь массив. В действительности, в любой момент времени из эксплуатации может быть выведена лишь некоторая доля генерирующего потенциала, так как при обслуживании или ремонте той или иной турбины отключению подлежит лишь отдельный вертикальный набор ("стояк") электрогенерирующих блоков или агрегатов, входящих в двумерный массив, в котором эта турбина находится.

Ниже осуществление изобретения поясняется следующими чертежами, на которых в некоторых случаях различные особенности изобретения для облегчения понимания изобретения могут быть искусственно выделены или показаны в увеличенном масштабе и на которых показано:

на фиг.1 - график, иллюстрирующий зависимость средней скорости течения от глубины моря в глубоководной зоне океана;

на фиг.2 - график, иллюстрирующий зависимость скорости движения воды от глубины моря в прибрежной зоне волнорезов;

на фиг.3 - схематичное изображение массивов (решеток) электрогенерирующих блоков промышленной энергоустановки;

на фиг.4 - схематичное изображение вертикального набора электрогенерирующих блоков, являющегося частью массива электрогенерирующих блоков, установленных таким образом, чтобы работать при однонаправленном течении в глубоководной зоне;

на фиг.5 - схематичное изображение вертикального набора электрогенерирующих блоков, являющегося частью массива электрогенерирующих блоков, установленных таким образом, чтобы работать при двунаправленном течении в глубоководной зоне;

на фиг.6 - вид сбоку конического рабочего колеса турбины с множеством расположенных одной ступенью лопастей, помещенного внутри корпуса со средствами электрического соединения с электрогенерирующими блоками массива;

на фиг.7 - вид спереди рабочего колеса турбины с множеством лопастей;

на фиг.8 - схематичное изображение объединительного блока для электромонтажа пакетов электрогенерирующих блоков;

на фиг.9А - схематичное изображение массива двунаправленных электрогенерирующих блоков, установленных перпендикулярно океанскому течению;

на фиг.9Б - схематичное изображение массива двунаправленных электрогенерирующих блоков с якорями, буем и электрическими соединениями;

на фиг.10А-10Г - несколько видов конического турбогенератора и объединительного блока, предназначенного для сборки массива электрогенерирующих блоков;

на фиг.11А и 11Б - виды сбоку и спереди/сзади турбогенератора с несколькими рабочими колесами;

на фиг.12 - группа массивов электрогенерирующих блоков, подсоединенных к электрической сети.

Ниже приводится подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения. Необходимо понимать, однако, что данное изобретение может быть воплощено в различных вариантах. Таким образом, конкретные технические детали, раскрытые ниже, следует толковать не как огранивающие возможности осуществления изобретения, а как иллюстративный материал, показывающий специалисту путь к применению настоящего изобретения практически в любой конкретной системе, конструкции или практически любым образом.

На фиг.1 представлен график, иллюстрирующий зависимость средней скорости 10 течения от глубины 12 моря в глубоководной зоне океана. Можно отметить, что средняя скорость течения в глубоководных зонах океана между некоторыми верхним и нижним пределами относительно постоянна, что в ряде случаев позволяет использовать это движение воды в качестве источника электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением. Примерами постоянных глубоководных течений, от которых в соответствии с настоящим изобретением рассматриваемым ниже образом может работать множество электрогенерирующих блоков, являются течения Гольфстрим в Атлантическом океане и Куросио в Тихом океане. Однако в глубоководных зонах океана обуздать энергию воды тяжело, равно как и обслуживать массивы электрогенерирующих блоков. Зона же волнорезов, водохранилище, не имеющее электростанций, река или водопроводящее сооружение в большей степени подходят для достижения преимуществ настоящего изобретения и экономических выгод от его осуществления.

Фиг.2 представляет собой график, иллюстрирующий зависимость скорости 20 течения от глубины 22 моря в зоне волнорезов океанского побережья. Можно отметить, что при уменьшении глубины, т.е. по мере приближения волны к берегу, поток воды становится быстрее, рассеивая содержащуюся в волне энергию. Это дает готовый к использованию и возобновляемый источник энергии для массива электрогенерирующих блоков рассматриваемого в данном описании типа. В приведенном ниже описания будет нагляднее показано, что это явление способствует созданию у береговой линии систем отбора энергии, рассматриваемых в данном описании, для получения дешевой и надежной энергии. Этот метод будет работать для любой движущейся массы воды, имеющей относительно постоянную скорость на заданной площади поперечного сечения.

На фиг.3 изображена группа 30 массивов электрогенерирующих блоков, выстроенных в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. Группа 30 массивов состоит из последовательности отдельных массивов 34, установленных в зоне волнорезов параллельно берегу 32 для приема энергии приливно-отливных течений. Такие массивы могут располагаться поперек течения реки, на глубоководных участках океана и в других местах, где их расположение позволяет использовать энергию движения преобладающих в данном месте потоков воды. Каждый массив 34 представляет собой последовательность скомпонованных тем или иным образом электрогенерирующих блоков, которые приводятся в действие движением проходящей через них воды. Электрогенерирующие блоки электрически связаны между собой при помощи объединительного блока или шасси (см. фиг.8) таким образом, что каждая группа 30 массивов вырабатывает электроэнергию, равную сумме электрической энергии, производимой каждым из электрогенерирующих блоков. В конечном счете, группа 30 массивов соединяется с электрической сетью.

На фиг.4 изображен вид сбоку одного набора 40 электрогенерирующих блоков 42, входящих в состав массива большего размера, например, показанного на фиг.3. На фиг.4 показан один набор 40 электрогенерирующих блоков 42, служащий для приема энергии однонаправленного потока воды глубоководного участка океана, реки и даже океанской зоны волнорезов. При прохождении воды через электрогенерирующие блоки по направленным влево стрелкам 44 электрогенерирующие блоки 42 преобразуют кинетическую энергию воды в электрическую. Отдельные электрогенерирующие блоки 42 скомпонованы в набор и электрически соединены между собой в положительных и отрицательных полюсах 46, вырабатывая электроэнергию, которая передается по линиям 49 к инвертору или в электрическую сеть. Каждый отдельный электрогенерирующий блок 42 способен вырабатывать небольшое количество электроэнергии, но наборы 40 электрогенерирующих блоков 42, соединенные параллельно, вырабатывают большое количество электроэнергии. Набор 40 электрогенерирующих блоков может быть пришвартован к океанскому дну якорем 48 обычными средствами, хорошо известными в данной области техники. Установленные таким образом массивы являются гибкими и плавают в воде, одновременно располагаясь поперек потока воды для максимальной выработки энергии.

Значительным преимуществом модульного построения массивов электрогенерирующих блоков является использование малых энергетических агрегатов, которые согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения могут иметь выходную мощность по вырабатываемой энергии порядка 0,001-5000 Вт. Это позволяет использовать устройства, которые могут быть значительно меньше турбин типичных энергоблоков, имея объем, составляющий одну тысячную от их объема, а именно 3 до 50000 кубических дюймов.

Использование таких небольших устройств позволяет значительно облегчить создание крупных массивов электрогенерирующих блоков, а также позволяет в любое время оперативно заменять неработоспособные устройства без прерывания процесса выработки электрической энергии. Такие миниатюрные энергетические агрегаты можно назвать микрогенераторами или микроэнергоузлами. Комбинация множества таких устройств в массиве дает в совокупности энергию, равную энергии, вырабатываемой одним гораздо более крупным генератором.

На фиг.5 изображен один набор 50 электрогенерирующих блоков 52, применяющийся для максимального использования энергии двунаправленного течения воды в зоне волнорезов. При прохождении воды через электрогенерирующие блоки 52 по стрелкам 54, направленным влево и вправо, электрогенерирующие блоки 52 преобразуют кинетическую энергию воды в электрическую. Течение воды может быть связано с приливом и отливом и, следовательно, может быстро менять свое направление, приводя в действие электрогенерирующие блоки, выполненные и установленные таким образом, чтобы поглощать кинетическую энергию водного потока с двух разных направлений. На фиг.5 изображен вид сбоку одного набора 50 электрогенерирующих блоков 52, входящих в состав массива большего размера, например, показанного на фиг.3, причем электрогенерирующие блоки электрически соединены друг с другом положительными и отрицательными полюсами 56 подобно тому, как это было показано на фиг.4.

На фиг.6 изображен вид сбоку одного рабочего колеса 60 турбины с множеством лопастей (см. фиг.7), применяющегося для преобразования кинетической энергии водного потока в электрическую энергию. В устройстве отдельных электрогенерирующих блоков присутствуют электрические соединители 64, позволяющие параллельно соединять эти блоки в единую электрическую сеть, что позволяет суммировать вырабатываемую энергию. Рабочее колесо 60 (или турбина) расположено в корпусе, выполненном соответствующим образом для выработки электроэнергии. Для придания корпусу жесткости он снабжен перекрещивающимися раскосами (показанными на фиг.7). Генерирование электроэнергии происходит благодаря помещению магнитов или магнитных материалов в оболочку корпуса лопастей рабочего колеса турбины и помещению обмотки в корпус рабочего колеса 60 турбины. Под воздействием водного потока рабочее колесо 60 турбины приводится во вращение, создавая электромагнитную силу, индуцирующую ток в обмотках и, тем самым, вырабатывая электричество. Благодаря параллельному соединению электрической цепи электрогенерирующих блоков малые количества электроэнергии, вырабатываемые отдельными элементами, складываются для производства электрической энергии большой мощности.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения с использованием обычных средств производства изделий из полимеров можно изготавливать турбины и корпуса, в которых вместо стандартных магнитов и медной обмотки используются магнитные полимеры или магнитополимеры. Количество используемого магнитного полимера или магнитополимера и его местоположение в корпусе определяется степенью магнитного притяжения, необходимой в конкретном случае. Благодаря использованию этих материалов достигается напряженность магнитного поля и магнитная проницаемость, достаточные для производства электроэнергии требуемой мощности, а в результате на выходе мы получаем генератор, который обладает легким весом и не подвержен коррозии под воздействием воды.

Единичная турбина может быть снабжена независимыми лопаточными венцами 66, что позволяет снимать с турбины максимум работы вдоль ее продольной оси, и турбина может сужаться по наружной поверхности 68, что позволяет повышать скорость потока благодаря сужению турбинного сопла.

На фиг.7 изображен вид с торца на корпус 70 турбины и рабочее колесо 72 с множеством лопастей 74, позволяющих отбирать у движущейся воды максимум энергии. Перекрещивающиеся раскосы 76 обеспечивают повышенную жесткость корпуса.

На фиг.8 показан объединительный блок 80, служащий для крепления множества наборов электрогенерирующих блоков для создания массивов большего размера, показанных на фиг.3. Объединительный блок 80 снабжен каналами положительных 82 и отрицательных 84 контактов для подключения наборов электрогенерирующих блоков. На объединительный блок устанавливается каждая группа расположенных по вертикали электрогенерирующих блоков. Первый вертикальный набор 85, второй вертикальный набор 86 и N-й вертикальный набор размещаются рядом друг с другом, включаясь в цепь параллельно через контакты 82 и 84, а примыкающие наборы электрогенерирующих блоков соединяются в единую электрическую цепь посредством своих оснований. Как легко можно увидеть, в объединительном блоке 80 может быть размещено множество вертикальных наборов электрогенерирующих блоков, электрически связанных друг с другом. Таким образом, можно создавать массивы из любого количества вертикальных наборов ("стояков"), состоящих, в свою очередь, из любого числа электрогенерирующих блоков, что диктуется лишь особенностями поставленной прикладной задачи. Сверху множества электрогенерирующих блоков может быть установлена полимерная передающая пластина, что позволяет наращивать наборы электрогенерирующих блоков, объединять их в единую электрическую цепь и передавать электрический ток от массива в выпрямитель/инвертор, а затем и во внешнюю электрическую сеть. Подобная схема обеспечивает условия для быстрого монтажа и легкого ремонта оборудования.

На фиг.9А показан перспективный вид массива 92 электрогенерирующих блоков, ориентированных таким образом, чтобы пропускать через себя водяной поток со стороны океана 94 или со стороны берега 95. Подобное расположение электрогенерирующих блоков позволяет каждому отдельному блоку в максимальной мере преобразовывать кинетическую энергию потоков воды при приливе и отливе. В данном конструктивном исполнении отдельные электрогенерирующие блоки ориентированы либо в одном, либо в другом направлении, а их турбины вращаются с оптимальной скоростью, когда водяной поток поступает к ним с соответствующего направления.

На фиг.9Б показан вид сбоку набора электрогенерирующих блоков, электрически связанных между собой рассмотренным в описании образом и расположенных таким образом, чтобы принимать кинетическую энергию потоков воды, поступающих с двух разных направлений. Предпочтительно, чтобы наборы крепились к прочным, но легким корпусам 95, способным оказывать сопротивление потокам океанской воды и поддерживать устойчивость конструкции в неблагоприятную погоду. Массив электрогенерирующих блоков может быть закреплен на дне океана якорем 97, что обеспечивает дополнительную устойчивость конструкции. Для поддержания заданного положения конструкции и для определения ее местоположения в воде может использоваться поплавок или буй 98. Предпочтительно, чтобы электрогенерирующие блоки монтировались на объединительных блоках отдельных наборов с образованием массива и в дальнейшем, объединенные в единую электрическую сеть, совместно вырабатывали электрическую энергию, передаваемую внешним источникам потребления. Суммарная энергия, произведенная массивом электрогенерирующих блоков, может передаваться во внешние электрические сети как по обычным электрическим проводам 99, так и по сверхпроводящим кабелям или иными средствами передачи электрической энергии, известными в настоящее время.

На фиг.10А, 10Б, 10В и 10Г представлено несколько изображений турбогенератора конической формы с центральным валом 100 и множеством лопастей рабочего колеса, расположенных по окружности вала несколькими ступенями, такими как ступень 102. В некоторых вариантах осуществления изобретения предпочтительно использовать одноступенчатое рабочее колесо. Корпус рабочего колеса турбины содержит вмонтированные в него магниты 104 или внедренный в него магнитный полимер. Внешний корпус 108 турбины содержит проходящие насквозь электрические выводы 106 и жесткую опору 107, позволяющую монтировать набор из отдельных агрегатов. На фиг.10Г также изображен объединительный блок 111, служащий для монтажа и соединения в единую электрическую цепь массивов электрогенерирующих блоков. Объединительный блок содержит электрические соединения, выполненные из медных проводов или проводящего полимера 109.

Новаторская конструкция турбин получена за счет использования полимеров, применяющихся в полимерных формах для массового изготовления турбин. Магнитные элементы турбины могут быть одним из разного рода материалов, внедренных в турбину, в том числе железосодержащий, керамикообразующий, магнитный полимер (магниты на основе магнитополимеров) или магниты из редкоземельных металлов (NdFeB). Использование электропроводящего полимера для изготовления катодов и анодов внедренной в конструкцию передающей системы и ее массивов уменьшает общий вес устройства и позволяет сделать производство турбин эффективным и малозатратным. Помимо этого, использование подобных турбин не приводит к выбросу в атмосферу СО2, CO, NOx, SOx или предшественников озона. Рабочее колесо турбины, изображенное на фиг.10, изготовлено из полимера для выполнения максимальной работы в тандеме с сужающимся корпусом или соплом.

Полимеры используются для достижения коррозионной устойчивости, низкой себестоимости производства, массового производства, для производства лопастей рабочего колеса турбины, производства нескольких независимых друг от друга рабочих колес турбины. Полимеры используются для производства полимерных форм для массового изготовления турбин. В полимерах применяются такие магнитные элементы конструкции, как железосодержащие, керамикообразующие или магнитные полимеры (магниты на основе магнитополимеров и редкоземельных металлов NdFeB), что позволяет применять их для преобразования кинетической энергии океана в электрическую. Помимо этого, электропроводящие полимеры используются для изготовления катодов и анодов внедренной в конструкцию передающей системы и ее массивов.

На фиг.11А и 11Б представлены виды сбоку и спереди/сзади турбогенератора с несколькими рабочими колесами, расположенными несколькими ступенями. В некоторых примерах конструктивного воплощения изобретения для выделения энергии может быть предпочтительным использовать одноступенчатые рабочие колеса турбин. Турбина смонтирована на подсоединенной к единой электрической цепи базе 111, которая позволяет вертикально собирать несколько электрогенерирующих блоков, являющихся частью большого массива, выстраивая эти блоки по вертикали. Перекрещивающиеся раскосы 112 обеспечивают дополнительную устойчивость корпусу турбины. Обмотки корпуса турбины из медного провода или проводящего полимера располагаются вокруг рабочего колеса турбины и служат для выработки электрического тока, когда магниты или магнитный материал, внедренный в рабочее колесо, вращается вместе с рабочим колесом, создавая поток магнитной индукции.

На фиг.12 изображена группа массивов 120 электрогенерирующих блоков, электрически соединенных с сетью 122. Массивы электрогенерирующих блоков установлены под прямым углом по отношению к направлению потоков океанской воды и включены в сеть параллельно. Сверху массивов предусмотрены поплавки (буи) 124, которые поддерживают массивы в заданном положении и ориентации и служат для определения их местоположения в воде. В предпочтительном варианте осуществления изобретения массивы электрогенерирующих блоков располагаются неподалеку от зоны волнорезов, чтобы использовать максимальное количество энергии океанских волн рядом с береговой линией.

Хотя данное изобретение было объяснено в связи с предпочтительным вариантом его осуществления, данный факт не означает, что объем правовой охраны изобретения ограничивается лишь данным вариантом. Наоборот, объем правовой охраны изобретения распространяется на такие альтернативы, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем данного изобретения.

1. Машина для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая множество электрогенерирующих блоков, электрически связанных между собой и скомпонованных в модульной конструкции, причем электрогенерирующие блоки выполнены взаимозаменяемыми с возможностью замены без прерывания процесса выработки машинной электроэнергии и приема ими кинетической энергии от движущейся воды и ее преобразования за счет движения турбины, имеющейся в каждом электрогенерирующем блоке.

2. Машина по п.1, в которой турбина содержит магнитный полимер или магниты из редкоземельных металлов, находящиеся в ее рабочем колесе.

3. Машина по п.1, в которой электрогенерирующие блоки связаны с электрической сетью посредством объединительного блока, способного удерживать на себе множество электрогенерирующих блоков.

4. Машина по п.3, содержащая также электрогенерирующие блоки, установленные с противоположной ориентацией для приема энергии от движущейся воды с двух направлений.

5. Машина по п.1, в которой электрогенерирующие блоки вырабатывают по отдельности менее 5000 Вт электрической мощности.

6. Машина по любому из пп.1-5, в которой электрогенерирующие блоки размещены в виде вертикально расположенных решеток поперек направления течения воды.

7. Машина по любому из пп.1-5, в которой электрогенерирующие блоки электрически соединены между собой положительными и отрицательными полюсами на этих блоках.

8. Машина по любому из пп.1-5, в которой электрогенерирующие блоки установлены в виде решетки электрогенерирующих блоков.

9. Машина для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая корпус с электропроводящими обмотками, размещенное в корпусе рабочее колесо с магнитными элементами на основе магнитополимеров или редкоземельных металлов, создающими индуцированную электроэнергию при вращении рабочего колеса в корпусе, и расположенные на рабочем колесе лопасти для приема от воды кинетической энергии, причем рабочее колесо приводится во вращение движением воды через указанные лопасти.

10. Машина по п.9, в которой обмотки включают внедренный в корпус электропроводящий полимер.

11. Система для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая множество турбин, рабочие колеса которых содержат размещенные в них магнитный полимер или магниты из редкоземельных металлов, окружены электропроводящими обмотками, размещенными в корпусе вокруг рабочих колес, и приводятся во вращение движением воды, вырабатывая электроэнергию, причем турбины скомпонованы в модульной конструкции и электрически связаны между собой.

12. Система по п.11, в которой рабочее колесо турбины снабжено множеством вращающихся лопастей, расположенных по меньшей мере одной ступенью.

13. Система по п.11, содержащая также передающую пластину, посредством которой электрогенерирующие блоки электрически связаны между собой и посредством которой происходит передача электроэнергии.

14. Система для выработки электроэнергии за счет движения воды, содержащая множество электрогенерирующих блоков, вырабатывающих по отдельности менее 5000 Вт электрической мощности, объединительный блок для удержания электрогенерирующих блоков с обеспечением их электрической связи с одним или несколькими электрогенерирующими блоками, причем электрогенерирующие блоки электрически связаны с электрической сетью и выполнены взаимозаменяемыми с возможностью замены без прерывания процесса выработки системой электроэнергии.

15. Система по п.14, в которой электрогенерирующие блоки расположены в виде решеток, размещенных в океане по вертикали и поперек направления приливного течения океана.

16. Система по п.15, в которой решетки электрогенерирующих блоков пришвартованы ко дну океана.

17. Система по п.16, содержащая также поплавки, прикрепленные к решеткам электрогенерирующих блоков для поддержания их вертикального положения в океане.

www.findpatent.ru

Как выробатывается электроэнергия - Выработка электроэнергии - Промышленная энергетика - Каталог статей

Электрическая энергия давно вошла в нашу жизнь, без электроэнергии современный человек не может обойтись и дня; приготовить пищу, получить и отправить информацию, поддерживать комфортную температуру в желище. Еще греческий философ Фалес в 7 веке до нашей эры обнаружил, что янтарь, потертый о шерсть начинает притягивать предметы. Но долгое время на этот факт никто не обращал внимание. Лишь в 1600 году впервые появился термин «Электричество», а в 1650 году Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. Это была первая простейшая электростатическая машина.

Прошло много лет с тех пор, но даже сегодня, в мире, заполненном терабайтами информации, когда можно самому узнать все, что тебя интересует, для многих остается загадкой как производится электричество, как его доставляют к нам в дом, офис, на предприятие…

В несколько частей рассмотрим эти процессы.

Часть I. Генерация электрической энергии.

Откуда же берется электрическая энергия? Появляется эта энергия из других видов энергии – тепловой, механической, ядерной, химической и многих других. В промышленных масштабах электрическую энергию получают на электростанциях. Рассмотрим только самые распространенные виды электростанций.

1) Тепловые электростанции. Сегодня из можно объединить одним термином – ГРЭС (Государственная Районная Электростанция). Конечно, сегодня этот термин потерял первоначальный смысл, но он не ушел в вечность, а остался с нами.

Тепловые электростанции делятся на несколько подтипов:

А) Конденсационная электростанция (КЭС) — тепловая электростанция, производящая только электрическую энергию, своим названием этот тип электростанций обязан особенностям принципа работы.

Рис.1

Принцип работы: В котел при помощи насосов подается воздух и топливо (газообразное, жидкое или твердое). Получается топливо-воздушная смесь, которая горит в топке котла, выделяя огромное количество теплоты. При этом вода проходит по трубной системе, которая располагается внутри котла. Выделяющаяся теплота передается этой воде, при этом ее температура повышается и доводиться до кипения. Пар, который был получен в котле снова идет в котел для перегревания его выше температуры кипения воды (при данном давлении), затем по паропроводам он поступает на паровую турбину, в которой пар совершает работу. При этом он расширяется, уменьшается его температура и давление. Таким образом, потенциальная энергия пара передается турбине, а значит, превращается в кинетическую. Турбина же в свою очередь приводит в движение ротор трехфазного генератора переменного тока, который находиться на одном валу с турбиной и производит энергию.

Рассмотрим некоторые элементы КЭС поближе.

Паровая турбина.

Рис.2

Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. Между рядами лопаток, как видите, есть промежутки. Они есть потому, что этот ротор вынут из корпуса. В корпус тоже встроены ряды лопаток, но они неподвижны и служат для создания нужного угла падения пара на движущиеся лопатки.

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум.

Турбина и генератор, которые находятся на одном валу называются турбогенератором. Трехфазный генератор переменного тока (синхронная машина).

Рис.3

Он состоит из:

Электромагнита, вращающегося вместе с валом турбогенератора (это обмотка возбуждения). На данном рисунке электромагнит имеет 1 пару полюсов, а это значит, что для того, чтобы генератор выдавал частоту тока 50 Гц, он должен вращаться с частотой 3000 об/мин. (такие турбогенераторы называют быстроходными). Если бы было 2 пары полюсов, то достаточно было бы вращение с частотой 1500 об/мин, и так далее. Чем больше пар полюсов, тем больше становиться турбогенератор. Оптимальную частоту выбирают исходя из параметров теплоносителя. На КЭС устанавливают, в основном, быстроходные турбогенераторы.
3-х обмоток статора, смещенных относительно друг друга на 120 градусов. Каждая обмотка – это фаза. Концы этих обмоток соединяются специальным образом
Рис.4

(обычно в треугольник, а начала выводятся. По токопроводам выработанная энергия (с номинальным напряжением до 24 кВ) поступает на повышающий трехфазный трансформатор (или на группу 3-х однофазных трансформаторов.

Рис. 5,6

Который повышает напряжение до стандартного значения (35-110-220-330-500-750 кВ). При этом ток значительно уменьшается (например, при увеличении напряжения в 2 раза, ток уменьшается в 4 раза), что позволяет передавать мощность на большие расстояния. Следует отметить, что когда мы говорим о классе напряжения, то мы имеем в виду линейное (междуфазное) напряжение.

Активную мощность, которую вырабатывает генератор, регулируют изменением количеством энергоносителя, при этом изменяется ток в обмотке ротора. Для увеличения выдаваемой активной мощности нужно увеличить подачу пара на турбину, при этом ток в обмотке ротора возрастет. Не следует забывать, что генератор синхронный, а это значит, что его частота всегда равна частоте тока в энергосистеме, и изменение параметров энергоносителя не повлияет на частоту его вращения.

Кроме того, генератор вырабатывает и реактивную мощность. Ее можно использовать для регулирования выдаваемого напряжения в небольших пределах (т.е. это не основное средство регулирования напряжения в энергосистеме). Работает это таким образом. При перевозбуждении обмотки ротора, т.е. при повышении напряжения на роторе сверх номинала, «излишек» реактивной мощности выдается в энергосистему, а когда обмотку ротора недовозбуждают, то реактивная мощность потребляется генератором.

Таким образом, в переменном токе мы говорим о полной мощности (измеряется в вольт-амперах – ВА), которая равна корню квадратному от суммы активной (измеряется в ваттах – Вт) и реактивной (измеряется в вольт-амперах реактивных – ВАР) мощностях.

Вода в водохранилище служит для отведения тепла от конденсатора. Однако, часто для этих целей используют брызгальные бассейны

Рис.7

или градирни. Градирни бывают башенными Рис.8

или вентиляторными Рис.9

Градирни устроены почти так же как и брызгальные бассейны, с тем лишь различием, что вода стекает по радиаторам, передает им тепло, а уже они охлаждаются нагнетаемым воздухом. При этом часть воды испаряется и уноситься в атмосферу.КПД такой электростанции не превышает 30%.

Б) Газотурбинная электростанция.Парогазовые установки.

На газотурбинной электростанции турбогенератор приводиться в движение не паром, а непосредственно газами, получаемыми при сгорании топлива. При этом можно использовать только природный газ, иначе турбина быстро выйдет из стоя из-за ее загрязнения продуктами горения. КПД на максимальной нагрузке 25-33%

Гораздо больший КПД (до 60%) можно получить, совмещая паровой и газовый циклы. Такие установки называются парогазовыми. В них вместо обычного котла установлен котел-утилизатор, не имеющий собственных горелок. Теплоту он получает от выхлопа газовой турбины. В настоящее время ПГУ активнейшим образом внедряются в нашу жизнь, но пока в России их немного.

В) Теплоэлектроцентрали (очень давно стали неотъемлемой частью крупных городов). Рис.11

ТЭЦ конструктивно устроена как конденсационная электростанция (КЭС). Особенность электростанции такого типа состоит в том, что она может вырабатывать одновременно как тепловую, так и электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные способы отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. При этом часть пара или полностью весь пар (зависит от типа турбины) поступает в сетевой подогреватель, отдает ему теплоту и конденсируется там. Теплофикационные турбины позволяют регулировать количество пара для тепловых или промышленных нужд что позволяет ТЭЦ работать в нескольких режимах по нагрузке:

тепловому — выработка электрической энергии полностью зависит от выработки пара для промышленных или теплофикационных нужд.

электрическому — электрическая нагрузка независима от тепловой. Кроме того, ТЭЦ могут работать и в полностью конденсационном режиме. Это может потребоваться, например, при резком дефиците активной мощности летом. Такой режим является невыгодным для ТЭЦ, т.к. значительно снижается КПД.

Одновременное производство электрической энергии и тепла (когенерация) – выгодный процесс, при котором КПД станции существенно повышается. Так, например, расчетный КПД КЭС составляет максимум 30%, а у ТЭЦ – около 80%. Плюс ко всему, когенерация позволяет уменьшить холостые тепловые выбросы, что положительно сказывается на экологии местности, в которой расположена ТЭЦ (по сравнению с тем, если бы тут была КЭС аналогичной мощности).

Рассмотрим подробнее паровую турбину.

К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с:

-противодавлением;

-регулируемым отбором пара;

-отбором и противодавлением.

Турбины с противодавлением работают с выхлопом пара не в конденсатор, как у КЭС, а в сетевой подогреватель, то есть весь пар, пошедший через турбину, идет на теплофикационные нужды. Конструкция таких турбин обладает существенным недостатком: график электрической нагрузки полностью зависит от графика тепловой нагрузки, то есть такие аппараты не могут принимать участия в оперативном регулировании частоты тока в энергосистеме.

В турбинах, имеющих регулируемый отбор пара, происходит его отбор в нужном количестве в промежуточных ступенях, при этом выбирают такие ступени для отбора пара, какие подходят в данном случае. Такой тип турбины обладает независимостью от тепловой нагрузки и регулирование выдаваемой активной мощности можно регулировать в больших пределах, чем у ТЭЦ с противодавлением.

Турбины с отбором и противодавлением совмещают в себе функции первых двух видов турбин.

Теплофикационные турбины ТЭЦ не всегда не способны за малый промежуток времени изменить тепловую нагрузку. Для покрытия пиков нагрузки ,а иногда и для увеличения электрической мощности путем перевода турбин в конденсационный режим, на ТЭЦ устанавливают пиковые водогрейные котлы.

2) Атомные электростанции.

В России на настоящий момент существует 3 вида реакторных установок. Общий принцип их работы примерно похож на работу КЭС (в былые времена АЭС называли ГРЭС). Принципиальное различие состоит лишь в том, что тепловую энергию получают не в котлах на органическом топливе, а в ядерных реакторах.

Рассмотрим две самых распространенных типов реакторов в России.

1) Реактор РБМК.

Рис.12

Отличительная особенность этого реактора состоит в том, что пар для вращения турбины получают непосредственно в активной зоне реактора.

Активная зона РБМК. Рис.13

состоит из вертикальных графитовых колонн, в которых находятся продольные отверстия, с вставленными туда трубами из циркониевого сплава и нержавеющей стали. Графит выполняет роль замедлителя нейтронов. Все каналы делятся на топливные и каналы СУЗ (система управления и защиты). Они имеют разные контуры охлаждения. В топливные каналы вставляют кассету (ТВС – тепловыделяющую сборку) со стержнями (ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент) внутри которых находятся урановые таблетки в герметичной оболочке. Понятно, что именно от них получают тепловую энергию, которая передается непрерывно циркулирующему снизу вверх теплоносителю под большим давлением – обычной, но очень хорошо очищенной от примесей воде.

Рис.14

Вода, проходя по топливным каналам, частично испаряется , пароводяная смесь поступает от всех отдельных топливных каналов в 2 барабан-сепаратора, где происходит отделение (сепарация) пара от воды. Вода снова уходит в реактор с помощью циркуляционных насосов (всего из 4 на петлю), а пар по паропроводам идет на 2 турбины. Затем пар конденсируется в конденсаторе, превращается в воду, которая снова идет в реактор.

Тепловой мощностью реактора управляют только с помощью стержней-поглотителей нейтронов из бора, которые перемещаются в каналах СУЗ. Вода, охлаждающая эти каналы идет сверху вниз.

Как вы могли заметить, я еще ни разу не сказал про корпус реактора. Дело в том, что фактически у РБМК нет корпуса. Активная зона про которую я вам сейчас рассказывал помещена в бетонную шахту, сверху она закрыта крышкой весом в 2000 тонн.

Рис.15

На приведенном рисунке видна верхняя биологическая защита реактора. Но не стоит ожидать, что приподняв один из блоков, можно будет увидеть желто-зеленое жерло активной зоны, нет. Сама крышка располагается значительно ниже, а над ней, в пространстве до верхней биологической защиты остается промежуток для коммуникаций каналов и полностью извлеченных стержней поглотителей.

Между графитовыми колоннами оставляют пространство для теплового расширения графита. В этом пространстве циркулирует смесь газов азота и гелия. По ее составу судят о герметичности топливных каналов. Активная зона РБМК рассчитана на разрыв не более 5 каналов, если разгерметизируется больше – произойдет отрыв крышки реактора и раскрытие остальных каналов. Такое развитие событий вызовет повторение Чернобыльской трагедии (тут я имею в виду не саму техногенную катастрофу, а ее последствия).

Рассмотрим плюсы РБМК:

–Благодаря поканальному регулированию тепловой мощности есть возможность менять топливные сборки, не останавливая реактор. Каждый день, обычно, меняют несколько сборок.

–Низкое давление в КМПЦ (контур многократной принудительной циркуляции), что способствует более мягкому протеканию аварий, связанных с его разгерметизацией.

–Отсутствие сложного в изготовлении корпуса реактора.

Рассмотрим минусы РБМК:

–В ходе эксплуатации были обнаружены многочисленные просчеты в геометрии активной зоны, устранить которые на действующих энергоблоках 1-го и 2-го поколений (Ленинград, Курск, Чернобыль, Смоленск) полностью не возможно. Энергоблоки РБМК 3-его поколения (он один – на 3 энергоблоке Смоленской АЭС) лишен этих недостатков.

–Реактор одноконтурный. То есть турбины вращает пар, полученный непосредственно в реакторе. А это значит, что он содержит радиоактивные компоненты. При разгерметизации турбины (а такое было на Чернобыльской АЭС в 1993 году) ее ремонт будет сильно усложнен, а, может быть, и невозможен.

–Срок службы реактора определяется сроком службы графита (30-40 лет). Затем наступает его деградация, проявляющаяся в его разбухании. Этот процесс уже вызывает серьезные опасения на старейшем энергоблоке РБМК Ленинград-1, построенном в 1973 году (ему уже 39 лет). Наиболее вероятный выход из ситуации – заглушение n-нного количества каналов для уменьшения теплового расширения графита.

–Графитовый замедлитель является горючим материалом.

–Ввиду огромного количества запорной арматуры, реактор сложен в управлении.

– На 1 и 2 поколениях существует неустойчивость при работе на малых мощностях.

В целом можно сказать, что РБМК – хороший реактор для своего времени. В настоящее время принято решение не строить энергоблоки с этим типом реакторов.

2) Реактор ВВЭР.

Рис. 16

На смену РБМК в настоящее время приходит ВВЭР. Он обладает значительными плюсами по сравнению с РБМК.

Активная зона полностью находиться в очень прочном корпусе, который изготавливают на заводе и привозят железнодорожным, а затем и автомобильным транспортом на строящийся энергоблок в полностью готовом виде. Замедлителем является чистая вода под давлением. Реактор состоит из 2-х контуров: вода первого контура под большим давлением охлаждает топливные сборки, передавая тепло 2-му контуру с помощью парогенератора (выполняет функцию теплообменника между 2-ми изолированными контурами). В нем вода второго контура кипит, превращается в пар и идет на турбину. В первом контуре вода не кипит, так как она находиться под очень большим давлением. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе и снова идет в парогенератор. Двухконтурная схема обладает значительными плюсами по сравнению с одноконтурной:

-Пар, идущий на турбину не радиоктивен.

-Мощностью реактора можно управлять не только стержнями-поглотителями, но и раствором борной кислоты, что делает реактор более устойчивым.

-Элементы первого контура располагаются очень близко друг от друга, поэтому их можно поместить в общую защитную оболочку. При разрывах в первом контуре радиоактивные элементы попадут в гермооболочку и не выйдут в окружающую среду. Кроме того гермооболочка защищает реактор от внешнего воздействия (например от падения небольшого самолета или взрыва за периметром станции).

-Реактор не сложен в управлении.

Имеются так же и минусы:

–В отличие от РБМК, топливо нельзя менять при работающем реакторе, т.к. оно находиться в общем корпусе, а не в отдельных каналах, как в РБМК. Время перезагрузки топлива обычно совпадает со временем текущего ремонта, что уменьшает воздействие этого фактора на КИУМ (коэффициент используемой установленной мощности).

–Первый контур находиться под большим давлением, что потенциально может вызвать больший масштаб аварии при разгерметизации, чем РБМК.

–Корпус реактора очень сложно перевезти с завода-изготовителя на стройплощадку АЭС.

Что же, работу тепловых электростанций мы рассмотрели, теперь рассмотрим работугидравлических электростанций.

Рис.17

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. ГЭС обладают очень высокой маневренностью вырабатываемой мощности, а также малой стоимостью вырабатываемой электроэнергии. Эта особенность ГЭС привела с созданию другого типа электростанции – ГАЭС. Такие станции способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (обычно ночью), гидроагрегаты ГАЭС работают как насосы, потребляя электрическую энергию из энергосистемы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность (в пики нагрузки), вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины. ГАЭС выполняют исключительно важную функцию в энергосистеме (регулирование частоты), но они не получают широкого распространения у нас в стране, т.к. в итоге они потребляют больше мощности, чем выдают. То есть станция такого типа убыточна для владельца. Например, на Загорской ГАЭС мощность гидрогенераторов в генераторном режиме 1200 МВт, а в насосном – 1320 МВт. Однако такой тип станции наилучшем образом подходит для быстрого увеличения или уменьшения вырабатываемой мощности, поэтому их выгодно сооружать около, например, АЭС, так как последние работают в базовом режиме.

Мы с вами рассмотрели как именно производиться электрическая энергия. Пора задать себе серьезный вопрос: «А какой тип станций наилучшем образом отвечает всем современным требованиям по надежности, экологичности, а кроме этого, еще и будет отличаться малой стоимостью энергии?» Каждый ответит на этот вопрос по-разному. Приведу свой список «лучших из лучших».

1) ТЭЦ на природном газе. КПД таких станций очень высок, высока и стоимость топлива, но природный газ – один из самых «чистых» видов топлива, а это очень важно для экологии города, в черте которых обычно и располагаются ТЭЦ.

2) ГЭС и ГАЭС. Преимущества над тепловыми станциями очевидно, так как этот тип станции не загрязняет атмосферу и производит самую «дешевую» энергию, которая плюс ко всему является возобновляемым ресурсом.

3) ПГУ на природном газе. Самый высокий КПД среди тепловых станций, а так же малое количество потребляемого топлива, позволит частично решить проблему теплового загрязнения биосферы и ограниченных запасов ископаемого топлива.

4) АЭС. В нормальном режиме работы АЭС выбрасывает в окружающую среду в 3-5 раз меньше радиоактивных веществ, чем тепловая станция той же мощности, поэтому частичное замещения тепловых электростанций атомными вполне оправдано.

5) ГРЭС. В настоящее время на таких станциях в качестве топлива используют природный газ. Это является абсолютно бессмысленным, так как с тем же успехов в топках ГРЭС можно утилизировать попутный нефтяной газ (ПНГ) или сжигать уголь, запасы которого огромны, по сравнению с запасами природного газа.

electrik.clan.su

<<	<	Ноябрь 2013			>	>>
Пн	Вт	Ср	Чт	Пт	Сб	Вс
				1	2	3
4	5	6	7	8	9	10
11	12	13	14	15	16	17
18	19	20	21	22	23	24
25	26	27	28	29	30

Использование геотермальной энергии для выработки электроэнергии. Для выработки электроэнергии

Топливные элементы для выработки электроэнергии

Итак, химическая энергия может превращаться прямо в механическую

Электрохимические реакции играют большую роль в технике

Как же преодолеть эти противоречия?

Оказалось, что можно

Первые топливные элементы работали на водороде и кислороде

Как же они устроены?

Водородно-кислородный элемент

Замкнем внешнюю цепь, подключив к ней, например, лампочку

Высокотемпературные топливные элементы

2 СО + 02->2С02

Просто о сложном – Топливные элементы для выработки электроэнергии для производства электроэнергии

Откуда берется электричество? Источники электроэнергии

Что такое электричество?

Выработка электричества

Традиционные электростанции

Альтернативные источники энергии

Распределение электроэнергии

Потребители электричества

Управление объектами электроэнергетики

Заключение

Использование геотермальной энергии для выработки электроэнергии

Развитие геотермальной электроэнергетики

Технологические схемы ГеоЭС

Устройство для выработки электроэнергии

устройство для выработки электроэнергии - патент РФ 2354846

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Машина и система для выработки электроэнергии за счет движения воды (варианты)

Как выробатывается электроэнергия - Выработка электроэнергии - Промышленная энергетика - Каталог статей

Видеоматериалы

Опыт пилотных регионов, где соцнормы на электроэнергию уже введены, показывает: граждане платить стали меньше

Соответствует ли вода и воздух установленным нормативам?

С начала года из ветхого и аварийного жилья в республике были переселены десятки семей

Столичный Водоканал готовится к зиме

Более 10-ти миллионов рублей направлено на капитальный ремонт многоквартирных домов в Лескенском районе

Актуальные темы

Формирование энергосберегающего поведения граждан

Предложения организаций, осуществляющих регулируемую деятельность о размере подлежащих государственному регулированию цен (тарифов) на 2013 год

НАУЧИМСЯ ЭКОНОМИТЬ В БЫТУ

Рубрикатор

Пользователю

Доп.информация