Джерела енергії
Тема уроку №10: Традиційні способи виробництва теплової та електричної енергії
План:
Традиційні способи виробництва теплової та електричної енергії
Атомна енергетика
Відновлювані джерела енергії
Сонячна енергія
Сонячна теплова енергетика
Традиційні способи виробництва теплової та електричної енергії
Одним з досконалих видів енергії є електроенергія. Її широке використання зумовлене
такими факторами:
- можливість вироблення електроенергії у великих кількостях поблизу родовищ
органічного палива та водних джерел;
- можливість транспортування на далекі відстані з порівняно незначними втратами;
- трансформації електроенергії в інші види енергії: механічну, хімічну, теплову, світлову;
- відсутність забруднення довкілля;
- можливість застосування на основі електроенергії принципово нових прогресивних
технологічних процесів з високим ступенем автоматизації.
Теплова енергія широко застосовується у побуті та на сучасних виробництвах у
вигляді енергії пари, гарячої води, продуктів згоряння палива. Пару та гарячу воду
традиційно отримують у котлах, в яких нагрівається вода за рахунок палива.
Електричну і теплову енергію виробляють на :
- теплових електричних станціях (ТЕС) на органічному паливі з використанням у
турбінах водяної пари-паротурбінні установки (ПТУ), продуктів згоряння газотурбінні
установки (ГТУ), їх комбінацій – парогазові установки (ПГУ);
- гідравлічних електричних станціях (ГЕС), котрі перетворюють механічну енергію
руху води на електричну, використовуючи енергію падаючого потоку води, течії, припливу;
- гідроакумулюючих станціях (ГАЕС), на яких механічну енергію руху води,
попередньо накопиченої у штучній водоймі, перетворюють на електричну;
- атомних електричних станціях (АЕС), які перетворюють енергію ядерного розпаду
на електричну.
З точки зору використання палива ефективним є комбіноване виробництво
електричної та теплової енергії, або когенерація. Комбіноване виробництво теплової та
електричної енергії дозволяє до 20-30 % зменшити витрати палива (у порівнянні з їх
роздільним виробництвом). Застосування когенерації дає можливість досягнути високого
рівня безпеки енергопостачання при одночасному зменшенні негативного впливу на
довкілля. З огляду на перспективи значного подорожчання традиційних енергоносіїв,
ефективним є використання когенерації спільно з іншими джерелами розосередженої
генерації, зокрема з місцевими джерелами енергії, насамперед відновлюваними (солома,
відходи, енергетичні культури).
2. Атомна енергетика
Сьогодні атомна енергетика зберігає свої позиції як одне з основних світових джерел
енергії. На ядерну енергію припадає 6 % світового паливно-енергетичного балансу і 17 %
всієї електроенергії, що виробляється. При цьому є країни, де сьогодні ядерна енергетика
забезпечує найбільший внесок у національне виробництво електроенергії, а саме: Франція
(76,4 %), Литва (73,7 %), Бельгія (56,8 %), Словаччина (53,4 %) і Україна (43,7 %). Україна
посідає восьме місце у світі та пяте в Європі за величиною встановленої потужності атомної енергетики.
Перша атомна електростанція потужністю 5 тис. КВТ була побудована в 1954 р. у
Обнінську (Росія). Сьогодні в світі працює приблизно 400 АЕС.
В Україні діють чотири АЕС з 15 ядерними енергоблоками – Рівненська
(м.Кузнецовськ, Рівненська обл.), Південно-Українська (м. Південно-Українськ,
Миколаївська обл.), Запорізька (м. Енергодар, Запорізька обл.), Хмельницька (м. Нетішин,
Хмельницька обл.), Чорнобильська АЕС (Київська обл.) – зупинена 15 грудня 2000 р.
На атомних електростанціях як паливо використовують радіоактивні елементи – уран,
торій і плутоній. Отримання електричної енергії базується на реакціях радіоактивного
розпаду цих елементів, що відбуваються у ядерних реакторах - серці станції, і
супроводжуються виділенням значної кількості тепла. Тепло поглинається теплоносієм, який
циркулює навколо активної зони ядерного реактора. Розігрітий теплоносій в теплообміннику
нагріває воду до кипіння.
Пара, що утворилася, спрямовується на парову турбіну, яка обертає електрогенератор.
За винятком ядерного реактора, АЕС працює як звичайна теплоелектростанція.
Відновлювані джерела енергії
Як ми згадували на початку розділу, відновлювані джерела енергії це ті, відновлення
яких постійно здійснюється в природі, і тому їх вистачить на мільйони чи навіть на мільярди
років. Це, наприклад, сонячне випромінювання, вітер, біомаса, припливні хвилі чи термальні
джерела.
Але у кожному випадку, в разі застосування відновлювані джерел енергії зростання
енергоспоживання на Землі не порушує загальної теплової рівноваги і не спричиняє
загального потепління. Ми не змінюємо кількість енергії, що надходить на Землю і йде з
Землі. Перевага таких джерел енергії - вони не завдають шкоди природі.
Згідно з класифікацією Міжнародного енергетичного агентства до відновлюваних
джерел енергії належать такі категорії:
- відновлювані джерела енергії (ВДЕ), які спалюються, і відходи біомаси:
- тверда біомаса і тваринні продукти: біологічна маса, у тому числі будь-які матеріали рослинного походження, що використовуються безпосередньо як паливо або
перетворюються на інші форми перед спалюванням (деревина, рослинні відходи і відходи
тваринного походження; деревне вугілля, яке одержують з твердої біомаси);
- газ/рідина з біомаси: біогаз, отриманий у процесі анаеробної ферментації біомаси і
твердих відходів, який спалюється для виробництва електрики і тепла;
- муніципальні відходи: матеріали, що спалюються для продукування теплової та
електричної енергії (відходи житлового, комерційного і громадського секторів).
Утилізуються муніципальною владою з метою централізованого знищення;
- промислові відходи: тверді й рідкі матеріали (наприклад, автомобільні покришки),
що спалюються безпосередньо, зазвичай на спеціалізованих підприємствах, для виробництва
теплової й електричної енергії;
- гідроенергія: потенційна, або кінетична, енергія води, перетворена на електричну
енергію за допомогою гідроелектростанцій як великих, так і малих;
- геотермальна енергія: теплова енергія, що надходить із земних надр, зазвичай у
вигляді гарячої води або пари. Використовується для виробництва або безпосередньо як
джерело тепла для систем теплопостачання, потреб сільського господарства тощо;
- сонячна енергія: випромінювання Сонця, що використовується для одержання
гарячої води й електричної енергії;
- енергія вітру: кінетична енергія вітру, що застосовується для виробництва
електроенергії у вітрових турбінах;
- енергія припливів, морських хвиль і океану: механічна енергія припливних потоків
або хвиль, що використовується для виробництва електричної енергії.
У структурі світового виробництва електричної енергії ПДЕ посідають почесне друге
місце. Вони забезпечують близько 20% світового виробництва електроенергії випередивши
атомну енергетику, природний газ і нафту, поступаючись тільки вугіллю. Основну кількість
електроенергії, що виробляється ПДЕ, отримано на гідроелектростанціях (92%).
Незважаючи на значний прогрес у розвитку, геотермальна, сонячна й вітрова
енергетика забезпечують менше 5% від загального внеску ПДЕ.
Сонячна енергія
Сонце створює сприятливий клімат для життя на нашій планеті і дає нам сонячне
проміння - унікальне та невичерпне джерело енергії. Воно здатне забезпечити нас такою
кількістю енергії, яка значно перевищує наші потреби. Так, Україна, при загальній площі
понад 600 тис.кв.км., за рік споживає близько 10 тис. ПДж первинної енергії, а Сонце на цю
площу посилає близько 3400 тис. ПДж, що у 300 разів більше загального споживання
Україною первинної енергії. Сонячну енергію часто називають остаточним розв'язанням
світової енергетичної проблеми. Вона екологічно чиста, не завдає шкоди довкіллю. Основна
проблема на шляху використання сонячної енергії - як вловити найбільшу частину потоку
сонячної енергії та з найменшими втратами перетворити на такі необхідні нам тепло чи
струм.
Люди з давніх часів скеровували сонячну енергію собі на службу, використовуючи її
для сушіння шкір тварин, з яких виготовляли одяг, меблі й посуд; для в'ялення риби та м'яса
з метою їх тривалого зберігання; для одержання солі шляхом випаровування її з води.
З часом люди удосконалювали знаряддя праці й винаходили нові способи
використання сонячного випромінювання. З'явилися навіси, що зберігають сонячне тепло
взимку і рятують від спеки влітку; теплиці, завдяки яким можна подовжувати тривалість
сільськогосподарських робіт; зимові сади. Сьогодні фахівці, що працюють над цими
питаннями, досягли небачених успіхів. Вони створили безліч пристроїв, які використовують
енергію сонця: високоефективні сушилки, сонячні пічки для приготування їжі та плавки
металів, опріснювачі води. Сонячна енергія, що накопичується в верхніх шарах грунту, у
воді, повітрі як теплова енергія може бути використана через теплові насоси та теплові
колектори. На енергії сонячних променів сьогодні рухаються машини та літають літаки.
Сонячна енергетика грунтується на перетворенні сонячного випромінювання в
електричну (сонячні електричні системи) чи теплову енергію (сонячні теплові системи -
виробляють тепло для одержання гарячої води, опалення приміщень тощо). Сфера
використання соняної енергії постійно розширюється. Ми зупинимось на сучасних
технологіях використання енергії Сонця.
Сонячна теплова енергетика
Сонячна енергія найефективніше може бути використана як теплова. Перевагою таких
систем є високий коефіцієнт корисної дії (ККД), який сягає 45-60%, а в разі застосування
концентраторів - 80-85%. Тепло, отримане в сонячних системах теплопостачання,
використовується для нагрівання води, опалення будівель, у сільському господарстві, у
технологічних процесах у промисловості. В сонячних перетворювачах готують їжу, сушать
овочі та фрукти і, навіть заморожують продукти. Перетворення сонячної енергії в теплову
обумовлене здатністю речовин поглинати електромагнітне випромінювання, внаслідок чого
їх температура зростає.
Широкого розповсюдження набуло використання низькотемпературних сонячних систем, де теплоносій нагрівається до температур 100-200° С. Але іноді потрібні більш високі
температури, і з цією метою використовують різного типу концентратори сонячного
випромінювання, що дозволяє досягати доволі високих температур (до 3000° С), чого
достатньо навіть для плавки металів.
Системи сонячного теплопостачання поділяють на активні й пасивні. До перших
належать системи, в яких теплова енергія, отримана від сонячного випромінювання,
передається за допомогою різних технічних засобів безпосередньо в місце її використання.
Видатний італійський художник і винахідник Леонардо да Вінчі у 1515 р. створив один з
перших проектів застосування енергії Сонця в промисловості із застосуванням гігантського
параболічного дзеркала "для постачання тепла до будь-якого бойлера на фарбувальній
фабриці". Цей проект є прикладом активної сонячної системи теплопостачання, де тепло
передається на відстань за допомогою нагрітої води в місце споживання.
Пасивні системи - це системи, в яких енергія сонця перетворюється на тепло
безпосередньо в місці її споживання. Пасивне використання сонячної енергії добре відоме
всім. Якщо на освітлений сонцем майданчик поставити резервуар, пофарбований у чорний
колір, то вода в ньому добре нагріється. На практиці згаданий принцип використовують у
будівництві, коли за рахунок певної орієнтації будинку відносно сонця і спеціальних
технологій відпадає потреба в додатковому опаленні приміщень навіть узимку. Системи
сонячного теплопостачаня практично не вимагають експлуатаційних витрат, не потребують ремонту і вимагають затрат лише на їх побудову і поточне підтримання.
Найбільш поширеним є використання сонячного випромінювання для нагрівання води
в системах опалення та гарячого водопостачання за допомогою найпростіших пласких
сонячних колекторів. З урахуванням їх відносно невеликої вартості їм надають перевагу при
нагріванні рідин до температури нижче 100 °С. Їх підрозділяють на одноконтурні (прямі) і
двоконтурні (непрямі). В одноконтурних системах циркулює вода, а в двоконтурних -
теплоносій-антифриз (звичайно, з вмістом поліпропіленгліколю). Цей теплоносій потрібний
для того, щоб сонячна система теплопостачання могла використовуватися цілий рік.
Спочатку антифриз нагрівається в колекторі, а потім він нагріває воду через теплообмінник.
Прості водонагрівачі утримують весь об'єм рідини, яку необхідно нагріти. До них
належать:
• резервуар на поверхні землі (наприклад, басейн). Це найпростіший нагрівач води.
Підвищення температури води в ньому обмежено високим коефіцієнтом відбивання
сонячного світла від поверхні води і тепловіддачею до землі та повітря, витратами на
випаровування води;
• чорний резервуар - ємність з чорною матовою поверхнею, в якій міститься рідина.
Його зазвичай розташовують на дахах будинків. Втрати тепла на випаровування майже
відсутні, чорні поверхні поглинають практично все тепло, яке на них потрапляє. Нагрівачі
цього типу досить недорогі, прості у виготовленні і дозволяють нагрівати воду до
температури 45 °С. Зменшення температури може бути викликане тепловими витратами з
поверхні, особливо за вітряної погоди;
• проточні нагрівачі. В такій системі вода протікає по паралельних трубках,
закріплених на чорній металевій пластині. Пластину з трубками для захисту від вітру
вміщують у вакуумний контейнер зі скляною кришкою, щоб уникнути втрат тепла через
повітря.
Водонагрівачі більш складної конструкції нагрівають за певний час лише незначну
частину рідини, яка потім, як правило, накопичується в окремому резервуарі для
використання енергії у потрібний час. Найпоширеніші пласкі (не фокусуючі) приймачі
дозволяють збирати як пряме, так і розсіяне випромінювання, а відтак працювати як у
сонячну, так і хмарну погоду. Основним елементом сонячної нагрівальної системи
(колектора) є приймач, у якому відбувається нагрівання рідини за рахунок сонячного
випромінювання. Принцип дії його дуже простий: промені сонця, проникаючи крізь скло
колектора (проходить близько 80-85%), зустрічаються з чорним дном колектора
(абсорбером) і значною мірою поглинаються ним. Абсорбер починає випромінювати
інфрачервоне випромінювання. яке не може проникнути крізь скло назовні: знизу витоку
тепла запобігає шар теплоізолючого матеріалу. Акумульоване таким чином тепло
передається теплоносію, що протікає по трубках, розташованих на дні колектора. Циркуляція
нагрітої рідини може здійснюватися як вимушено активні системи, або системи з
примусовою циркуляцією теплоносія, з використанням помп, так і природним шляхом -
пасивні системи, або термосифонні, з природною циркуляцією, яка зумовлена перепадом
температури і тиску, природною конвекцією. В останньому випадку нагрівач повинен
розміщуватися нижче накопичувача нагрітої води.
Системи зі штучною циркуляцією вигідні, оскільки для їх створення можна
використовувати існуючі водонагрівальні системи, підключаючи до них приймач сонячного
випромінювання і насос. Крім того, немає потреби розташовувати в них накопичувач вище
нагрівача. Недоліком цих систем є залежність від електроенергії, без якої вони не будуть
працювати.
Сьогодні у світі обладнано понад 30 млн.м2 сонячних колекторів для гарячого
водопостачання. Дві третини припадає на країни Європейського Союзу. Популярність цієї
технології весь час зростає. Денна продуктивність таких колекторів на широті 50° (на рівні
Києва) сягає 50-60 літрів води, нагрітої до 60-70 °С з квадратного метра. Коефіцієнт корисної
дії сонячного колектора становить від 40 до 60% і визначається його оптичними
характеристиками, якістю теплової ізоляції, інсоляцією і температурами теплоносія та
навколишнього повітря. Ефективність термальних геліоприймачів підвищується до 80-85%,
якщо вони оснащені тими чи іншими дзеркальними поверхнями, що концентрують
випромінювання. Дуже перспективними для використання є пласкі сонячні елементи з
лінійними концентраторами випромінювання -фокони. Концентратори - фокони мають у
перетині У-подібну форму (пласку чи параболоїдну, остання дорожча, але ефективніша).
Сторінки історії
Ідею концентрації сонячного світла на “палючих” дзеркалах приписують Архімеду
(212 р. до н.е.). За допомогою величезних збільшувальних скелець винахідник нібито
скерував сонячні промені на кораблі римлян, щоб перешкодити завоюванню Сіракуз.
Наприкінці XVIII ст. французький хімік Антуан Лавуазьє винайшов сонячну піч, в
якій можна було плавити платину за температури 1780 С.
Шведський вчений Горацій де Соссюр винайшов перший у світі сонячний
колектор, який він використовував для приготування їжі під час експедиції до Південної
Африки в 1830 році.
Фотоенергетика
Сонячна енергія може бути перетворена на електроенергію безпосередньо чи
опосередковано. Пряме перетворення сонячної енергії на електричну може бути здійснене за
рахунок використання фотоелектричного ефекту, сенс якого полягає в тому, що світло
(фотони), попадаючи на предмети, здатне вибивати з їх поверхні електрони. Для того, щоб
кількість цих електронів була достатньою, були розроблені спеціальні сонячні елементи
(фотоелементи), які складаються з двох типів матеріалу з різною електропровідністю.
Найчастіше фотоелементи роблять на основі кремнію, другого за поширеністю на Землі
елемента. Сонячне світло (фотон), попадаючи в такий матеріал, викликає порушення
рівноваги так званого "р-n" переходу і спричиняє появу в системі електричного струму.
Ефективність сучасних фотоелементів досить низька - в середньому 10-15 %. І хоча існують
перспективні розробки з ККД (близько 30%), вартість енергії, отриманої на сонячних
батареях, залишається високою, в середньому вона в 4 рази дорожче геліотермічної.
Сонячні елементи відрізняються між собою, передусім тим, яку частку сонячного випромінювання вони можуть перетворити на електричну енергію. Зрозуміло, ефективність
роботи елементів буде залежати від того, на якій географічній широті вони перебувають, а
також під яким кутом на них падають сонячні промені. Іще одним недоліком сонячних
батарей є те, що вони вимагають акумуляторів (зазвичай батарей) для забезпечення
безперервного енергопостачання вночі й у похмурі дні. Але виробництво електроенергії за
рахунок використання сонячних батарей є одним із найбезпечніших способів. Сонячні
батареї не створюють шуму, не залишають відходів, не споживають палива, крім сонячного
світла. У батарей немає механізмів, що рухаються, тут не споживаються і не виділяються
жодні речовини. Їх можна використовувати практично в будь-якій сфері, де потрібна
електроенергія: для освітлення, роботи насосів, охолодження, радіопередач тощо.
Застосування сонячних батарей особливо привабливе для віддалених районів, сільської
місцевості та енергозабезпечення автоматичного устаткування.
У зв'язку з тим, що фотоелектричні технології є дорогими, але ефективними,
швидкому розвиткові фотоелектричного ринку в світі сприяє державна фінансова підтримка.
Наприклад, програма Європейського Союзу "1 000 000 дахів" передбачає стимулювання тих,
хто послуговується цією технологією. Програм подібного типу в світі досить багато. Це і
німецька - "100 000 сонячних дахів", і японська - "4 600 МВт до 2010 року", і американська
"1 000 000 сонячних дахів", а також десятки інших. Урядові субсидії, зростання ринку та
технічні досягнення обіцяють значне зниження цін у наступні роки. Активний ринок
"сонячних помешкань" може прискорити це, оскільки удосконалені сонячно-енергетичні
покрівельні матеріали й віконне скло можуть замінити з часом дорогі будівельні матеріали.
Сонячні батареї можна встановлювати також уздовж автомагістралей, на автостоянках, на
дахах муніципальних будівель і транспортних станцій.
Сторінки історії
У 1958 році сонячні батареї були вперше застосовані у США для енергозабезпечення
штучного супутника Землі Vanquard I. У подальшому вони стали невід'ємною складовою
космічних апаратів. Широко відомі мікрокалькулятори, годинники, радіоприймачі і багато
інших електронних апаратів, що працюють на сонячних батареях.
Сонячна теплоенергоенергетика
На відміну від фотоенергетики у сонячній теплоенергетиці електроенергію отримують
у теплових машинах (наприклад, звичайних парогенераторах), в яких тепло від згоряння
палива замінюється потоком концентрованого сонячного світла. Тобто сонячна
теплоелектростанція відрізняється від звичайної ТЕС, що працює на викопному паливі,
тільки тим, що в ній вода перетворюється на пару за рахунок енергії сонця, а не спалюваня
вугілля чи іншого палива. Для цього сонячне світло за допомогою системи дзеркал
концентрують на спеціальний сонячний котел (ресівер), з якого утворена водяна пара
спрямовується в стандартну парову турбіну. За рахунок використання сучасних технологій
вартість електроенергії, отриманої на сонячній електростанції, наблизилася до вартості
енергії, отриманої на атомних електростанціях, і становить в середньому 8-10 центів за 1кВт.
Така електростанція може працювати тільки при прямому освітленні сонячними променями.
Тому часто, щоб уникнути перебоїв у генерації струму, такі станції комбінують зі
звичайними тепловими електростанціями. Технічна складність підтримання ефективної
роботи сонячної електростанції та доволі великі площі дзеркал, які необхідні для отримання
достатніх для промислового використання об'ємів електроенергії, стримують швидкий
розвиток цього напрямку сонячної енергетики. Так, для електростанції потужністю в 1
тис.МВт необхідна площа встановлених сонячних колекторів становить 13-25 км2, залежно
від географічного розташування електростанції. Це більше, ніж площа, яку займає звичайна
електростанція, але менше, ніж площа, яку займають станція і відкритий кар'єр для
видобутку споживаного нею вугілля. Тому в світі активно ведуться розробки сонячних електростанцій у Космосі, звідки отримана від сонця енергія за допомогою випромінювання
надвисокої частоти буде передаватися на Землю.
Подумайте і дайте відповідь
1. Якому одягу ви надаєте перевагу спекотного літа - темному чи світлому? Чому?
2. На більшості дачних ділянок є душ, що складається з бака з водою, розміщеного над
кабіною. Вода нагрівається Сонцем. У який колір потрібно фарбувати бак? Це пасивне чи
активне використання сонячної енергії?
3. Які типи сонячних систем гарячого водопостачання ви знаєте?
4. Що таке фотоелектрична система і де вона використовується?