Классификация ЭС по типу используемых энергоресурсов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ядерное топливо  обладает очень высокой теплотворной способностью. Один килограмм ²³⁵U заменяет около 3000 т угля. Поэтому АЭС особенно эффективны в районах бедных топливными ресурсами.

АЭС выгодно  оснащать энергоблоками большой  мощности. Тогда по своим технико-экономическим  показателям они не уступают КЭС, а в ряде случаев даже превосходят. АЭС не имеют выбросов дымовых газов  и не имеют отходов в виде золы и шлаков. Но выделение тепла в охлаждающую воду у АЭС больше, чем у ТЭС. Поэтому на новых АЭС предусматривается установка градирен, в которых теплота от охлаждающей воды отводится в атмосферу. Кроме того, при эксплуатации АЭС получают радиоактивные отходы, требующие специального захоронения в могильниках, которые исключают возможность воздействия радиации на людей.

АЭС, являющиеся наиболее современным видом электростанций имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций: при нормальных условиях функционирования они абсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику сырья и соответственно могут быть размещены практически везде, новые энергоблоки имеют мощность практически равную мощности средней ГЭС, однако коэффициент использования установленной мощности на АЭС значительно превышает этот показатель у ГЭС или ТЭС. 

Значительных  недостатков АЭС при нормальных условиях функционирования практически не имеют. Однако нельзя не заметить опасность АЭС при возможных форс-мажорных обстоятельствах: землетрясениях, ураганах, и т. п. - здесь старые модели энергоблоков представляют потенциальную опасность радиационного заражения территорий из-за неконтролируемого перегрева реактора.

 

 

2. Электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии.

Чем дальше движется в своем развитии человечество, тем  более актуальным становится использование  возобновляемых источников энергии. Развитие альтернативной энергетики и поиск новых источников энергии – главная мировая тенденция нового тысячелетия. Вместо традиционной энергетики, применяющей в качестве источника нефть, газ или уголь, сегодня ученые разрабатывают, а энергетики внедряют альтернативные энергетические установки.

Наиболее широко применяемым  в России и мире источником возобновляемой энергии, является энергия потока воды.

Важнейшая особенность гидроэнергетических  ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими  ресурсами — их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные, удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности и продолжительные сроки строительства, придавалось и придаётся большое значение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.

Гидроэлектрическая  станция (ГЭС) - это комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, и энергетического оборудования. Гидротехнические сооружения обеспечивают необходимую концентрацию водотока и создание напора, а энергетическое оборудование -  преобразование энергии движущейся под напором воды в механическую энергию вращения,  которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.

По напору ГЭС делятся на высоконапорные (более 80 м), средненапорные (от 25 до 80 м) и низконапорные (до 25 м). Напор ГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либо деривацией, либо плотиной и деривацией совместно.

По схеме  использования водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные, гидроаккумулирующие, приливные,  волновые и осмотические.  В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. В случае сооружения двух плотин на том же участке реки площадь затопления уменьшается. На равнинных реках наибольшая экономически допустимая площадь затопления ограничивает высоту плотины. Русловые и приплотинныс ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.

Деривационная схема позволяет  получить сосредоточенный перепад путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке. Эта разность уровней и является напором гидроэлектростанции. В зависимости от типа искусственных водоводов (деривации) различают ГЭС с напорной и с безнапорной деривацией. При безнапорной деривации отвод воды из реки осуществляется безнапорными водоводами, например открытым каналом. Для забора воды в деривационный канал в русле реки возводится невысокая плотина, создающая водохранилище. Вода в канал поступает через водоприемник. Деривационный канал заканчивается напорным бассейном, из которого вода по трубопроводам подается к турбинам в здании станции. Прошедшая через турбины вода отводится обратно в русло реки по отводящему каналу.

Создание и увеличение сосредоточенного перепада уровней  воды можно осуществлять посредством отводящего деривационного водовода, продольный уклон которого меньше уклона естественного русла. В этом случае здание ГЭС располагается в глубокой выемке или под землей в удалении от нижнего сечения используемого участка водотока.

Сооружение деривационных  ГЭС целесообразно в горный условиях при больших уклонах рек и  относительно малых расходах воды. Тогда при небольшой протяженности  и малой площади сечения деривационного водовода можно получить большой  напор и соответственно большую мощность.

Комбинированная схема предусматривает  создание напора при использовании  как плотины, так и деривационных  сооружений.

Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) предназначена для перераспределения  во времени энергии и мощности в энергосистеме. В часы понижения нагрузок, за счет энергии из энергосистемы, ГАЭС работает в насосном режиме, т.е. перекачивает воду в верхний бьеф и создает запас гидроэнергии. В часы максимальной нагрузки ГАЭС работает в генераторном режиме, т.е. как гидроэлектростанция. Вода из верхнего бьефа пропускается в нижний бьеф, и ГАЭС вырабатывает и выдает в энергосистему электроэнергию. В процессе работы ГАЭС потребляет дешевую электроэнергию, а выдает более дорогую. Но заполняя провалы нагрузки в энергосистеме, ГАЭС позволяет атомным и тепловым станциям работать в более экономичном и безопасном режиме. При этом  резко снижается удельный расход топлива на производство 1 кВт.ч электроэнергии в энергосистеме.

Приливные электростанции (ПЭС)  сооружаются на побережье морей  и океанов со значительными приливно-отливными колебаниями уровня воды. Для этого естественный залив отделяется от моря плотиной и зданием ПЭС. При приливе уровень моря будет выше уровня воды в заливе, при отливе, наоборот, ниже уровня воды в заливе. Перепады этих уровней создают напор, который используется при работе гидротурбин ПЭС.

Преимуществами  ПЭС является низкая себестоимость  производства энергии и экологичность. Недостатками — высокая стоимость строительства и изменяющаяся в течение суток мощность, из-за чего ПЭС может работать только в составе энергосистемы, располагающей достаточной мощностью электростанций других типов.

Волновая электростанция — установка, расположенная в  водной среде, целью которой является получение электричества из кинетической энергии волн. Первая в мире волновая электростанция появилась в 5 километрах от северного побережья Португалии.

Конвертер Pelamis P-750 размером с небольшой железнодорожный состав: 120 метров длиной и 3,5 метра в диаметре. С полной загрузкой вес его составляет 750 тонн. Pelamis — это полузатопленная структура, состоящая из четырёх цилиндрических секций, связанных шарнирными соединениями. Волны заставляют изгибаться эту плавающую «змею», за счёт чего внутри, в местах соединения соседних секций, перемещаются гидравлические поршни, прокачивающие масло через гидравлические двигатели, в свою очередь, вращающие электрогенераторы.

Произведённое одним конвертором электричество направляется в кабель, опускающийся с поплавка на дно. Несколько таких устройств могут быть электрически соединены непосредственно на месте их расположения. И тогда уже по одному кабелю вся суммарная мощность будет подаваться на берег.

В идеале конверторы следует швартовать в 5-10 километрах от берега (тогда подводный кабель не будет уж слишком длинным), и чтоб глубина в этом месте была 50-60 метров (в таком случае волны будут побольше).

Большую часть поплавков Pelamis занимают три модуля преобразования энергии мощностью 250 киловатт каждый. Таким образом, мощность одного конвертера 750 киловатт. У берегов Португалии их установлено 3. Суммарная мощность составляет 2,25 мегаватта, чего достаточно для питания 1600 домов. В дальнейшем предусмотрено добавление к этой же волновой ферме у берега Агусадоры ещё 25 установок, что поднимет суммарную мощность станции до 21 мегаватта. Этого уже хватит на 15 тысяч домов, что будет означать снижение выбросов углекислого газа тепловыми станциями на 60 тысяч тонн в год.

Существую установки  преобразующие энергию волн в электрическую энергию, основанные и на других принципах. Например, система «Архимедово волновое качание» (Archimedes Wave Swing — AWS).

Принципиальное  отличие AWS от всех остальных проектов в этой области в том, что сооружения находятся под водой на глубине порядка 40-50 метров. Причём от верхушки сооружения до поверхности будет оставаться примерно 6 метров, что хорошо как с эстетической, так и с практической точки зрения.

Большинство проектов волновых и приливных электростанций работает на поверхности воды или даже на побережье, что мешает передвижению судов. Кроме того, любое сильное волнение или шторм быстро выводят механизмы из строя.

В то же время  система AWS, сделанная из тех же материалов, что и подводные части нефтяных вышек, находится в глубоких, спокойных водах.

Другие плюсы  этого проекта: дешевизна оборудования, большее количество производимой энергии  на той же площади (в сравнение  с другими источниками природной  энергии), безопасность для окружающей среды, простота монтажа и обслуживания.

AWS представляет  собой цилиндр диаметром 12 и  высотой 30 метров. Весит такой  гигантский буй примерно 800 тонн  и способен вырабатывать энергию  для 500 домов, то есть выдаёт до 12 ГВт.ч в год [5].

Цилиндр пустотелый, а его внутренность заполнена  газом. Нижняя часть цилиндра крепится ко дну, верхняя же находится в «свободном плавании», то есть может двигаться вверх-вниз относительно нижней части.

Проходящая над буйком волна «давит» на верхнюю часть цилиндра, заставляя её проседать под своей тяжестью, а газ внутри — сжиматься. Как только волна уходит, давление понижается, и верхняя часть цилиндра поднимается обратно. Такое механическое движение вверх-вниз преобразуется в электричество с помощью линейного генератора (обычных катушки и магнита). Электрический ток в основную сеть на побережье пересылается по электрическим кабелям, проложенным от каждой AWS по дну.

Осмотическая  электростанция — стационарная энергетическая установка, основанная на явлении, известном как осмос: молекулы воды переходят из отсека с пресной водой в отсек с морской водой, стремясь выровнять концентрацию соли по обе стороны полупроницаемой мембраны. При этом увеличивается объем воды в отсеке с морской водой и создается избыточное давление, которое заставляет генератор вырабатывать электричество.

Первая и  единственная, на данный момент в мире, осмотическая электростанция построена  компанией Statkraft (en:Statkraft) в норвежском городе Тофта. Строительство электростанции обошлось в 20 миллионов долларов и 10 лет, проведенных в исследованиях и разработке технологии. Эта электростанция пока вырабатывает очень мало энергии: примерно 2-4 киловатта. Впоследствии планируется увеличить выработку энергии до 10 киловатт [4].

На данный момент электростанция имеет вид экспериментальной, но в случае успешного завершения испытаний, станция будет запущена для коммерческого использования.

По оценкам Statkraft, занимающейся разработкой и созданием  установок, вырабатывающих возобновляемую энергию, общемировой годовой потенциал  осмотической энергии (osmotic power) составляет 1600-1700 тераватт-часов. А это ни много ни мало – 10% всего мирового потребления энергии (и 50% энергопотребления Европы). Многие крупные города стоят близ устья рек, так почему бы им не обзавестись подобными электростанциями? Тем более что встроить такую машину можно даже в подвал офисного здания [4].

Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) – это комплекс технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в какой-либо другой вид энергии. Для получения электрической энергии используется ветрогенератор. Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие используются для снабжения электричеством удалённых районов.

Наибольшее  распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с  тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, в состав которой входят следующие основные компоненты: рабочее колесо, гондола с редуктором и генератором, башня и фундамент. На башне в гондоле размещается основное энергетическое, механическое и вспомогательное оборудование ВЭУ, в том числе рабочее колесо или ротор с лопастями, преобразующие энергию ветра в энергию вращения вала, редуктор для повышения частоты вращения вала ротора и генератор. Лопасти ротора могут быть жестко закреплены на его втулке или изменять свое положение в зависимости от скорости ветра для повышения полезной мощности ВЭУ. В качестве генератора чаще всего используются асинхронные генераторы.