Преобразователи гидроресурсов

Гидравлическая энергия. Водные ресурсы земного шара огромны. Запасы пресной воды на Земле составляют менее 2 % от общего объема гидросферы. Речные воды составляют лишь тысячные доли процента объема пресных вод гидросферы. Но их отличительной чертой является ежегодная возобновляемость.

Гидравлическая энергия водных ресурсов рек представляет собой работу, которую совершает текущая в них вода.

Вода с поверхности рек испаряется, пары перемещаются воздуш-ными течениями в высокие слои атмосферы, где конденсируются и выпадают в виде осадков на сушу, что является источником питания рек. Процесс циркуляции воды на земном шаре, называемый круговоротом воды в природе, осуществляется непрерывно.

Силой, осуществляющей работу водяного потока, является вес воды. Действие силы воды определяется падением водотока, т. е. разностью уровней воды в начале и конце рассматриваемого участка (рис. 9.2.1).

Если падение участка реки длиной L составляет H при расходе воды , то работа текущей воды в течение 1 с (т. е. мощность водотока N) составляет:

где r – плотность воды, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с² .

Рис. 9.2.1. Схема водотока

Так как обычно в энергетике мощность измеряется в кВт, то

.

Энергия водотока

кВт-ч,

где – объем используемого стока, м³.

Эта зависимость оценивает потенциальные или теоретические гидроэнергоресурсы (без учета потерь стока и водной энергии при ее преобразовании в электрическую). Расход воды для каждого участка реки принимается по среднегодовым значениям расходов в начальном и конечном створах (для лет с обеспеченностью стока в 50 и 95 %).

Одним из элементов гидроэлектростанций (ГЭС) является плотина, создающая водохранилище и перепад уровней воды. Водохранилище является сводным аккумулятором потенциальной энергии рек. Вода под напором, создаваемым плотиной, направляется в водовод, который заканчивается турбиной. Турбина преобразовывает механическую энергию движения потока в механическую энергию вращения вала, к которому присоединен ротор генератора. Генератор преобразует механическую энергию вращения вала в электрическую энергию. Для предотвращения водовода от засорения на его входе устанавливается защитная сетка.

Определению потенциальных энергоресурсов каждой реки предшествует составление ее водно-энергетического кадастра, включающего общее описание реки и бассейна, имеющиеся исходные данные по гидрометрии, гидрологии, топографии, инженерной геологии и др. По результатам сроится кадастровый график, т. е. графическое представление гидроэнергетических ресурсов реки. График (рис. 9.2.2) содержит продольный профиль реки 1, графики нарастания значений водосборной площади 2 в тыс. км², среднемноголетние расходы воды 3 в м³/с, удельные мощности 4 каждого участка реки в кВт/км.

Рис. 9.2.2. Кадастровый график гидроэнергетических ресурсов реки

Суммирование потенциальной мощности по участкам реки определяет ее общую мощность, т. е. потенциальные гидроэнергоресурсы.

Недоиспользование потенциальных гидроресурсов происходит из-за потерь воды в водохранилищах (забор для различных нужд), потерь напора в водопроводящих сооружениях, потерь энергии при ее преобразовании турбинами в механическую и генераторами в электрическую, некоторые участки реки не могут быть использованы из-за затопления объектов и т. д. С учетом этого мощность используемого ГЭС участка реки

где – расход воды, используемый ГЭС для получения электроэнергии; – подведенный к турбинам напор, равный разности высот уровня воды верхнего и нижнего бьефов с учетом потерь в сооружениях; – КПД турбин и генераторов, зависит от мощности турбины, конструкции и диаметра рабочих колес, изменения напоров и примерно равен 0,89–0,95, = 0,92¸0,98; для крупных и средних гидроагрегатов и 0,78¸0,8 для малых, мощностью до 5 МВт.

Гидравлическое аккумулирование энергии. Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) в отличие от обычных ГЭС являются не только комплексом сооружений и оборудования для генерирования электроэнергии, но и потребителем для преобразования ее в потенциальную энергию поднятой воды.

Процессы потребления, преобразования и последующего генерирования электроэнергии, осуществляемые ГАЭС, называются гидроаккумулированием.

Работа ГАЭС заключается в смене двух режимов: накопления энергии или заряда и ее отдачи потребителям – разряда ГАЭС.

Заряд ГАЭС представляет собой подъем воды гидромашинами с электрическим приводом из нижнего в верхнее водохранилище (резервуар, бассейн). Это происходит во время снижения электропотребления (ночью, праздничные, выходные дни, сезонный интервал времени).

При разряде, происходящем в часы максимума нагрузки (или аварий на других ГЭС), потенциальная энергия поднятой воды преобразуется в электрическую.

Таким образом, гидроаккумуляторы работают при заряде как насосные станции, а при разряде – как ГЭС. Мощность турбинного, а также насосного режимов

,

где – мощность насосного режима, кВт; – подведенный напор, определяемый суммой статического напора и его гидравлических потерь; – кпд насосного режима; – подача воды, м³/с.

По возможности использования речного стока ГАЭС делятся на несовмещенные (рис. 9.2.3а), если источником заряда ГАЭС являются другие станции, и совмещенные с ГЭС станции (рис. 9.2.3б).

а б

Рис. 9.2.3. ГАЭС несовмещенного (а) и совмещенного (б) типов:

1 – верхний резервуар, 2 – напорный трубопровод, 3 – нижний резервуар, 4 – здание ГЭС

В местностях, бедных гидроресурсами и нуждающихся в пиковых мощностях, получили преимущественное распространение ГАЭС несовмещенного типа.

При рассмотрении преимуществ ГАЭС важное значение имеет КПД гидроаккумулирования, который равен отношению электроэнергии, полученной при разряде, к электроэнергии, расходуемой на заряд, т. е. потери энергии при ее преобразовании из электрической в механическую и потенциальную поднятой воды, а затем снова в электрическую. Для современных ГАЭС с крупными обратимыми агрегатами и одинаковой частотой вращения h = 73–75 %.

Приливные электростанции. Мировой энергопотенциал морского прилива – 1 млрд. кВт, что в 2,5 раза больше мощности всех ГЭС в мире. Но только 2 % считаются доступными при КПД 8–25 %.

Однако использование этой энергии затруднительно из-за пульсирующего, прерывистого характера. Графики изменения рассматриваемых уровней воды (мореограммы) в течение суток имеют синусоидальный характер.

Подъем и спад уровней сопровождается изменениями течения и расхода воды от моря к побережью и обратно, что определяет гидравлическую энергию приливов и отливов.

Преобразование этой энергии в электрическую возможно на приливных станциях (ПЭС).

Схема ПЭС: суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения здания станции, воспринимающей напор, и плотины. Образуется бассейн, куда при приливе поступает вода. Разность уровней воды в море и в бассейне обеспечивает работу гидротурбин.

Потенциальная мощность:

годовая выработка энергии:

где А – среднегодовая амплитуда приливов; F – площадь бассейна.

Схемы ПЭС могут быть одно- и многобассейновыми.

В однобассейновых схемах бассейн отгорожен от моря зданием ПЭС, воспринимающим напор, и плотиной. Режимы работы ПЭС могут быть следующими.

Односторонний режим: во время прилива бассейн заполняется водой через специальные отверстия в здании ПЭС, после чего они закрываются. Когда уровень моря снизится во время отлива, начинают работать турбины, пропуская воду из бассейна. Когда напор станет меньше минимального, турбины отключаются до следующего цикла. Схема проста, но использование потенциальной энергии составляет всего 22 %.

При режиме двустороннего действия турбин, с выработкой энергии во время прилива и наполнения бассейна и во время его опорожнения использование потенциальной энергии возрастает до 34 %.

Дальнейшее увеличение выработки энергии на ПЭС может происходить за счет насосного режима, но время его работы невелико, т. к. выгодность зависит от времени совпадения простоев оборудования с минимальной и максимальной нагрузкой.

Схемы с двумя и тремя бассейнами дают возможность получать энергию непрерывно с небольшими колебаниями в течение суток.

Работа двухбассейновых ПЭС (рис. 9.2.4) происходит следующим образом. Первоначально верхний бассейн заполнен до наибольшего уровня и отключен от моря путем закрытия водопропускных отверстий в глухой плотине. Вода через ПЭС срабатывается в нижний бассейн, который также отключен от моря. Когда поднявшийся уровень в нижнем бассейне сравнивается с уровнем моря, отверстия в водопропускной плотине открываются, уровень нижнего бассейна следует за уровнем отлива и ПЭС работает на разности уровней верхнего бассейна и моря. При минимальном уровне отлива нижний бассейн снова отключается от моря и наполняется из верхнего. К тому времени, когда уровень верхнего бассейна срабатывается до уровня моря, водопропускающие отверстия в глухой плотине открываются и работа ПЭС идет на транзитной воде из моря через верхний и нижний бассейны, откуда цикл повторяется снова.

Рис. 9.2.4. Двухбассейновые ПЭС

Электростанции на «фиолетовом» угле (на энергии морских волн и течений). Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений в океанах и морях можно превращать в электрическую с помощью турбин, погруженных в воду.

Самое известное течение Гольфстрим проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения – 60 км, глубина – до 800 м, поперечное сечение – 28 км², следовательно, энергия, которую несет поток, равна

.

Эта энергия равносильна выработке 50-ти крупных электростанций по 1000 МВт, но практически используется менее 10 % энергии течения. В настоящее время особенно интенсивно ведутся разработки в Англии, где при длинной береговой линии море бурное, можно получить до 120 ГВт мощности, что в 2 раза больше мощности всех электростанций этой страны.

Один из проектов использования энергии морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В больших коробах без дна и с отверстием вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует как поршень – засасывает воздух и нагнетает его на лопатки турбин. Главная трудность – это согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, т. е. сохранение постоянной скорости вращения турбин.

Другой принцип создания волновых электростанций известен под названием «плавающая утка», автор Ствен Солтер из Эдинбургского университета.

Ряд поплавков под действием волн совершают колебательные движения около центральной оси. Эти движения комплексом механических, гидравлических и электрических устройств преобразуются в полезную мощность.

Трудность состоит в том, что сложно согласовать движение «уток» с постоянно меняющимися параметрами волны (высота, частота, направление).

Третий принцип называется понтонами Коккерена по имени английского изобретателя Кристофера Коккерена. Отдельные сегменты тройных понтонов подвижно соединены шарнирами. Гибкий понтон следует за каждым изменением волн. В шарнирном соединении установлены 2 гидроцилиндра, которые действуют как гидравлические двигатели, вращая ротор генератора переменного тока. Проблемы – малая скорость, низкая частота и случайный характер параметров волн. Можно разрешить эти проблемы, увеличив размеры станции, но это дорогостоящее мероприятие. Для осуществления проекта по такому принципу создано АО «Волна-сила», размещающее в 10 милях от побережья Шотландии целую серию больших понтонов, которые будут бесплатно вырабатывать по 2 МВт электроэнергии каждый. Шотландское побережье – самое богатое «волновое поле» в мире.

Есть еще проект «Ректифайер» (выпрямитель), который в отличие от предыдущих, использующих относительное движение отдельных частей установки, реализует другой, более простой принцип. Преобразователь прочно прикреплен на неглубоком морском дне. В его внутреннем пространстве волны создают постоянный подпор, поднимая уровень воды на несколько метров. Этот перепад и используется для выработки энергии с помощью турбин с очень малым числом оборотов и с небольшими размерами.

Заключение

Энергетика является технической основой цивилизации, определяя уровень социально-экономического развития стран. Стремление войти в современный мир с развитой мощной экономикой должно сопровождать-ся ускоренным, опережающим ростом энергетики, так как существует жесткая связь между уровнем экономического развития и уровнем энерговооруженности государства.

Одной из важных энергетических проблем, стоящих перед человечеством, является совершенствование методов преобразования энергии, так как позволяет отодвинуть временную границу исчерпания первичных невозобновляемых источников энергии и получить возможность поиска новых энергоресурсов. Изложенные в пособии характеристики основных видов энергии и взаимодействия энергоносителей различных видов позволят выявить общие принципы разработки новых и совершенствование существующих преобразователей энергии, расширить кругозор обучающихся в вузе по электротехническим специальностям.

Контрольные вопросы

1. Что означает термин «энергия»?

2. Каково суточное потреблении энергии человеком?

3. Как распределены энергетические ресурсы по континентам, государствам?

4. Как классифицируются виды энергии?

5. Какие признаки положены в основу классификаций энергий?

6. Сколько видов энергий известно в настоящее время?

7. Сколько видов энергий пригодно для практического примене-ния?

8. Перечислите наиболее применяемые виды энергии.

9. Почему преобразование энергии является одной из главных проблем современной энергетики?

10. Дайте классификацию преобразователей энергии.

11. Как распределены основные виды энергии по степени концентрации энергии в единице объема?

12. Каково различие между коэффициентом полезного действия и коэффициентом использования энергии в преобразователе энергии?

13. Для производства 1 кВт-ч электроэнергии требуется 8 МДж теплоты. Каково значение КПД преобразователя?

14. Сопоставьте величины энергий, полученных при полном расщеплении 1 кг урана-235 и при сжигании 1 кг угля?

15. Дайте классификацию электромеханических преобразователей энергии.

16. Опишите принцип действия емкостного ЭМП.

17. Чем отличается электромеханический преобразователь энергии от электрической машины?

18. Приведите примеры индуктивных ЭМП.

19. Опишите принцип действия индуктивно-емкостного преобразо-вателя.

20. Каковы принципы электромеханического преобразования с использованием магнитного поля?

21. Приведите классификацию ЭМП магнитного поля.

22. Какие показатели ЭМП определяют области применения ЭМП?

23. Принцип рабаты тепловой машины.

24. Принцип работы простейшего МГД-генератора.

25. Принцип работы МГД-генератора с паросиловой установкой.

26. Объясните сущность термоэлемента.

27. Конструкция простейшего магнитотеплового двигателя.

28. Конструкция простейшего магнитотеплового генератора.

29. Схема термомагнитного генератора.

30. Упрощенная схема паросиловой установки.

31. Определение степени сжатия ДВС.

32. Принцип действия ДВС.

33. Термоэлектрический способ преобразования солнечной энергии.

34. Фотоэлектрический способ преобразования солнечной энергии.

35. Принцип работы ФЭП.

36. Схема ядерной реакции на тепловых нейтронах.

37. Принципы превращения ядерной энергии в электродинами-ческую.

38. Принципы превращения ядерной энергии в электромагнитную.

39. Принцип работы термоядерного двигатля.

40. Преобразование ядерной энергии в химическую.

41. Идея реактора-размножителя на быстрых нейтронах.

42. Принцип самопроизвольной термоядерной реакции.

43. Типы химических теплогенераторов.

44. Способы преобразования химической энергии.

45. Принцип работы водородно-кислородного топливного элемента.

46. Принцип работы ветродвигателей традиционной схемы.

47. Как производится определение потенциальных энергоресурсов реки?

48. Как происходит работа ГЭС?

49. Как происходит работа ГАЭС?

50. Схема работы двухбассейновой ПЭС.

51. Принцип работы электростанций на «фиолетовом» угле.

Список использованной литературы

1. Стырикович, М. А. Энергетика. Проблемы и перспективы / М. А. Стырикович, Э. Э. Шпильрайн. – М.: Энергия, 1981. – 192 с.

2. Козлов, В. Б. Энергетика и природа / В. Б. Козлов. – М.: Мысль, 1982. – 92 с.

3. Веников, В. А. Энергетика в современном мире / В. А. Веников, В. Г. Журавлев, Т. А. Филиппова. – М.: Знание, 1998. – 191 с.

4. Еременко, В. Г. Принципы построения преобразователей энергии / В. Г. Еременко, А. Н. Соломин. – М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 56 с.

5. Гулиа, Н. В. Накопители энергии / Н. В. Гулиа. – М.: Наука, 1980. – 150 с.

6. Копылов, И. П. Космическая электромеханика / И. П. Копылов. – М.: Высшая школа, 2005. – 127 с.

7. Копылов, И. П. Гелиоэлектромеханика / И. П. Копылов. – М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 116 с.

8. Копылов, И. П. Электромеханические преобразователи энергии / И. П. Копылов. – М.: Энергия, 1973. – 400 с.

9. Копылов, И. П. Применение вычислительных машин в инженерно-экономических расчетах / И. П. Копылов. – М.: Высшая школа, 1980. – 256 с.

10. Накопители энергии / Д. А. Бут [и др.] – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 400 с.

11. Печуркин, Н. С. Энергия и жизнь / Н. С. Печуркин. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. – 190 с.

12. Шилейко, А. В. В океане энергии / А. В. Шилейко, Т. Н. Шилейко. – М.: Знание, 1989. – 192 с.

13. Алексеев, Г. Н. Энергоэлектроника / Г. Н. Алексеев. – М.: Знание, 1983. – 129 с.

14. Арсеньев, Г. В. Энергетические установки / Г. В. Арсеньев. – М.: Высшая школа, 1991. – 336 с.

15. Энергетика России: проблемы и перспективы; тр. науч. сессии РАН. – М.: Наука, 2006. – 499 с.

16. Алексеев, Г. Н. Преобразование энергии / Г. Н. Алексеев. – М.: Наука, 1966. – 190 с.

17. Попов, В. В. Введение в электромеханику / В. В. Попов. – СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2000.

18. Бертер, М. Крест Чубайса / М. Бертер, О. Проскурнина. – М.: Колибри, 2008. – 448 с.

19. Электроэнергетика России 2030. Целевое видение / Под ред. Б. Ф. Вайнзихера. – М.: Альпина Бизнес, Бусс, 2008. – 360 с.

20. Никитенко, Г. В. Ветроэнергетические установки в системах автономного электроснабжения / Г. В. Никитенко, Е. В. Коноплев. – Ставрополь: АГРУС, 2008. – 152 с.

21. Веников, В. А. Введение в специальность. Электроэнергетика / В. А. Веников, Е. В. Путятин. – М.: Высшая школа, 1988. – 240 с.

Оглавление

Для заметок

Геннадий Григорьевич Угаров

Анатолий Григорьевич Сошинов

Ольга Владимировна Вдовина

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

Учебное пособие

Редактор Пчелинцева М. А.

Компьютерная верстка Сарафановой Н. М.

Темплан 2010 г., поз. № 8К.

Подписано в печать 15. 10. 2010 г. Формат 60×84 ¹/₁₆.

Бумага листовая. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 6,0. Усл. авт. л. 5,75.

Тираж 100 экз. Заказ №

Волгоградский государственный технический университет

400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, корп. 1.

Отпечатано в КТИ

403874, г. Камышин, ул. Ленина, 5, каб. 4.5

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: