История теплотехники в россии кратко

Обновлено: 02.07.2024

Историю энергетики с известной долей условности можно разделить на следующие пять периодов.

Четвертый период начался в середине XX в. с освоения энергии деления ядер урана. Он закончится полным исчерпанием (или использованием в допустимой, по соображениям глобальной безопасности степени) ядерного и термоядерного топлива. В этот период будут расходоваться последние запасы не возобновляемых энергетических ресурсов Земли и проблема охраны окружающей среды станет особенно важной.

Мы живем в начале четвертого периода, основными энергетическими проблемами которого являются: воспроизводство ядерного топлива делением в реакторах на быстрых нейтронах, техническое освоение контролируемого термоядерного синтеза, все более широкое использование возобновляемых энергоресурсов, повышение доли потребления каменного угля и повышение энергетической эффективности всех типов энергетических установок и энергопотребляющих устройств.

Трудности работы с порохом заставили Папена заменить его в 1690 г. водой, подогревавшейся на дне цилиндра до образования пара. Обратно поршень опускался после конденсации пара, которую ускоряли обливанием цилиндра холодной водой или впрыскиванием ее внутрь.

В книге, выпущенной в 1698 г., Папен впервые дал правильное термодинамическое описание процессов в цилиндре своей машины, но ни ему, ни другим изобретателям не пришло в голову разделить эти процессы по разным агрегатам, что сразу повысило бы ее эффективность и решило проблему создания универсального двигателя.

Наиболее острой была тогда проблема откачки воды из все более углублявшихся шахт. И первое применение сила пара нашла в паровытеснительных насосах. Англичанин Сэвери получил патент на один из них в 1698 г., не имевших ни одной движущей части. Однако из-за низкой экономичности эти насосы были вытеснены паропоршневыми, разработанными в 1705—1712 гг. англичанином Т. Ньюкоменом. В них пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделен от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Эти машины широко применялись, и последняя из них была демонтирована в Англии в 1934 г.

Однако промышленность все более остро нуждалась в универсальном двигателе, не зависящем, как водяные колеса, от места или, как ветряные, — от погоды. И в 1763 г. русский инженер И. И. Ползунов предложил, а к 1766 г. построил такую машину. Она работала на угле, холостой ход исключался с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал, парораспределение было автоматическим, правда, машина оставалась пароатмосферной. Изобретатель умер до пуска машины, которая после небольшой неполадки была остановлена и забыта.

В результате слава создания первого универсального паропоршневого двигателя досталась англичанину Д. Уатту. В 1769 г. он получил патент на усовершенствования ньюкоменовской водоподъемной машины: отделение конденсатора от цилиндра и использование в качестве движущей силы вместо атмосферного давления упругости пара, подаваемого сверху поршня. В 1782 г. Уатт ввел двойное действие (пар поочередно поступал сверху и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательно-возвратного движения во вращательное, а в 1788 г. — и центробежный регулятор оборотов. Схема установки стала почти современной.

Далее путь человеческой мысли ведет в созданию тепловых двигателей с газообразным рабочим телом — газовых двигателей.

В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказывает рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), соответствующий четырем ходам поршня: 1-й — всасывание воздуха; 2-й — сжатие его, в конце которого подача и сгорание топлива; 3-й — рабочий ход — расширение газообразных продуктов сгорания; 4-й — выпуск их.

В 1860 г. французский механик Ж. Ленуар начинает строить и продавать ДВС, работающие на светильном газе, с зажиганием от электрической искры, но без предварительного сжатия воздуха, что ограничило их к. п. д. 3—6% (как и у паровых машин).

И только в 1877 г. немецкий изобретатель-коммерсант Н. Отто создает, наконец, четырехтактный ДВС с искровым зажиганием и к. п. д. 16—20%. В 1892—1897 гг. немецкий инженер Р. Дизель разрабатывает компрессорный с воспламенением от предварительно сильно сжатого в цилиндре воздуха ДВС, оказавшийся самым экономичным. В 1904 г. в России Г. В. Тринклер создает менее громоздкий и еще более экономичный бескомпрессорный дизель.

Так постепенно ДВС превосходят паровые двигатели и по компактности и по экономичности. Поиски новых конструкций двигателей возвращают изобретателей к турбинам, которые из-за отсутствия жаростойких материалов, малой точности обработки деталей и по другим причинам не разрабатывались до конца XIX в.

В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс патентует паровую реактивную многоступенчатую турбину. В 1889 г. шведский инженер Г. Лаваль получает в Англии патент на расширяющееся сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию потока высокие перепады давления пара. В 1891 г. паротурбинный двигатель (ПТД) снабжается конденсатором, что делает его более экономичным, чем поршневой, при сохранении превосходства над последним и в удельной мощности, ПТД стал основным двигателем электростанций.

Первый газо(паро)турбинный двигатель (ГТД) с процессом горения при постоянном давлении спроектировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский в 1897 г. В 1906 г. В. В. Караводин разработал, а в 1908 г. построил и испытал более экономичный ГТД — с пульсирующим процессом (горением при постоянном объеме).

В 1821 г. немецкий физик Т. Зеебек открывает термоэлектричество— возможность прямого превращения тепловой энергии в электрическую при нагреве одного из двух спаев цепи, состоящей из двух спаянных концами разнородных проводников. В 1834 г. французский часовщик Ж. Пельтье, пропуская электроток через такую же цепь, как и Зеебек, обнаружил обратный эффект — в зависимости от направления тока один из спаев нагревался, а другой охлаждался.

Наконец, в 1896 г. Анри Беккерель открывает естественную радиоактивность, после чего начинаются интенсивные исследования атомных ядер, приведшие к техническому освоению ядерной энергии.

Так в XIX в. закладываются основы теплоэнергетики XX в.

Паротурбинные двигателѸ постепенно вытесняют все прочие в электроэнергетике. Их единичная мощность и экономичность быстро растут. В последние годы заводы серийно выпускают блоки котел — турбина мощностью 100,150,200,300,500 и 800 МВт с к. п. д. до 40—42%. При этом обнаруживается, что дальнейшие затраты на увеличение единичной мощности уже почти не окупаются экономией материалов и горючего. Единичная мощность и экономичность ГТД все еще ниже, чем ПТД, поэтому их применяют для покрытия пиковых нагрузок и в особых случаях. Строятся парогазотурбинные двигатели.

На транспорте применяются все типы тепловых двигателей: на судах — паро- и газотурбинные, ДВС; в авиации — турбореактивные и реактивные; на автотранспорте, на строительных, дорожных и сельскохозяйственных машинах (включая тракторы) — ДВС.

Разрабатываются энергетические установки (мощностью до 200— 300 кВт) на дорогостоящих радиоактивных изотопах.

С 1958—1960 гг. на современном уровне науки и техники началось создание энергоустановок на основе давно известных явлений, позволяющих непосредственно генерировать электроэнергию: топливных элементов, термоэлектрогенераторов, магнитогазодинамических электрогенераторов, солнечных электрогенераторов и т. д. Интенсивно ведутся работы по теплофикационному использованию солнечной энергии.

Такова хронология истории теплоэнергетики, развившейся только в последние 150 лет. А как формировалась теплотехническая наука? В начальный период промышленной революции она отставала от практики, которая служила мощным стимулом ее развития.

Эта теория не учитывала бесконечности Вселенной, где процессы рассеивания и концентрации энергии должны чередоваться во времени и пространстве, — иначе как объяснить наличие запасов энергии на Земле и в Солнечной системе? Кроме того, австрийский физик Л. Больцман, один из творцов молекулярно-кинетической теории газов, доказал, что закон возрастания энтропии неприменим к Вселенной еще и потому, что он справедлив лишь для статистических систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся частиц, поведение которых подчиняется законам теории вероятностей. Для них возрастание энтропии лишь наиболее вероятно, но с необходимостью должно наступать и маловероятное событие (флуктуация) — ее уменьшение. Во Вселенной же действуют динамические законы.

В те же годы независимо от Больцмана создает законченную систему статистической термодинамики скромный преподаватель колледжа США Д. У. Гиббс. По цельности, глубине и охвату она превосходит теорию Больцмана, но утверждает в принципе те же идеи. В отличие от классической термодинамики, решающей задачи на основе опытных зависимостей между макроскопическими параметрами системы (температура, давление и т. п.), статистическая термодинамика позволяет вычислять макроскопические характеристики и устанавливать зависимости между ними по данным о состоянии микрочастиц систем — их расположении, скоростях, энергии. Д. У, Гиббс внес немалый вклад и в классическую термодинамику, разработав метод потенциалов, установив правило фаз и др.

Так был заложен фундамент термодинамического метода и началась разработка его приложений, прежде всего к теории тепловых машин.

Быстрый и мощный скачок в разработке теории поменял ее местами с практикой — теория стала освещать путь практике, служить указателем направлений и пределов совершенствования энерготехники. В результате на основе достижений НТР масштабы и темпы развития энергетики и потребления энергоресурсов достигли столь высоких значений, что в отдельных направлениях уже близки к предельным.

На выработку электроэнергии в развитых странах расходуется порядка 30—35 % энергоресурсов. Остальная часть энергоресурсов идет на транспортные двигатели и на получение тепла для промышленности и отопления. При этом непосредственно используются тепловая (около 75%), механическая (около 24%), электрическая и световая (в сумме порядка 1%) энергии.

В нашей стране до революции энергетика была развита слабо. В 1913 г. мощность всех электростанций составляла порядка 1 млн. кВт, а выработка электроэнергии — до 2 млрд. кВт-ч. Интересно отметить, что 70% своей потребности в энергии Россия удовлетворяла за счет ветряных мельниц, перемалывая на них почти все свое зерно.

Энергетическое хозяйство СССР достигло уровня, для которого характерны: резко возрастающая концентрация производства энергоресурсов и электроэнергии со все большей централизацией их распределения; широкие технические возможности и экономическая целесообразность взаимозаменяемости полезных видов энергии, энергетических установок и энергоресурсов. На этой основе образовались большие системы энергетики, управляемые автоматически и включающие электроэнергетические (и входящие в них теплоснабжающие), нефтеснабжающие, газоснабжающие и углеснабжающие системы, среди которых формируется и система ядерной энергетики.

В связи с необходимостью экономить нефть и газ, запасы которых быстро истощаются, а новые месторождения требуют больших затрат для их разработок, центр тяжести переносится на использование низкокалорийных углей, ядерных топлив и гидроэнергии, пригодных лишь для электростанций. Для транспортной энергетики в будущем предполагается перерабатывать твердые органические горючие в жидкие и получать водород. Последний выгоднее, так как сжигается без загрязнения окружающей среды, потери энергии на его транспортировку ниже, чем для электроэнергии, и т. д., но его широкое применение требует дорогостоящей и длительной подготовки. В резерве остаются электрохимические аккумуляторы, которые пока не позволяют увеличить однозарядный пробег электромобиля свыше 100 км и тоже требуют немало средств для подготовки к их широкому применению. Для технологических нужд промышленности и отопления помимо водорода предполагается использовать ядерную энергию, что требует налаживания промышленного производства высокотемпературных (900— 1100° С) реакторов, которые пока имеются в единичных исследовательских экземплярах.

Историю энергетики с известной долей условности можно разделить на следующие пять периодов.

Четвертый период начался в середине XX в. с освоения энергии деления ядер урана. Он закончится полным исчерпанием (или использованием в допустимой, по соображениям глобальной безопасности степени) ядерного и термоядерного топлива. В этот период будут расходоваться последние запасы невозобновляемых энергетических ресурсов Земли и проблема охраны окружающей среды станет особенно важной.

Мы живем в начале четвертого периода, основными энергетическими проблемами которого являются: воспроизводство ядерного топлива деления в реакторах на быстрых нейтронах, техническое освоение контролируемого термоядерного синтеза, все более широкое использование возобновляемых энергоресурсов, повышение доли потребления каменного угля и повышение энергетической эффективности всех типов энергетических установок и энергопотребляющих устройств.

Наиболее острой была тогда проблема откачки воды из все углублявшихся шахт. И первое применение сила пара нашла в паровытеснительных насосах. Англичанин Сэвери получил патент на один из них в 1698 г., не имевших ни одной движущей части. Однако из-за низкой экономичности эти насосы были вытеснены паропоршневыми, разработанными в 1705—1712 гг. англичанином Т. Ньюкоменом. В них пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделен от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Эти машины широко применялись, и последняя из них была демонтирована в Англии в 1934 г.

В 1801 г. француз Ф. Лебон патентует поршневой двигатель, работающий на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием их электрической искрой и сгоранием внутри цилиндра. В 1805 г. швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде.

В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс патентует паровую реактивную многоступенчатую турбину. В 1889 г. шведский инженер Г. Л аваль получает в Англии патент на расширяющееся сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию потока высокие перепады давления пара. В 1891 г. паротурбинный двигатель (ПТД) снабжается конденсатором, что делает его более экономичным, чем поршневой, при сохранении превосходства над последним и в удельной мощности, ПТД стал основным двигателем электростанций.

Так в XIX в. закладываются основы теплоэнергетики XX в.

Паротурбинные двигатели постепенно вытесняют все прочие в электроэнергетике. Их единичная мощность и экономичность быстро растут. В последние годы заводы серийно выпускают блоки котел — турбина мощностью 100, 150,200,300,500 и800МВт с к. п. д. до40—42%. При этом обнаруживается, что дальнейшие затраты на увеличение единичной мощности уже почти не окупаются экономией материалов и горючего. Единичная мощность и экономичность ГТД все еще ниже, чем ПТД, поэтому их применяют для покрытия пиковых нагрузок и в особых случаях. Строятся парогазотурбинные двигатели.

Разрабатываются энергетические установки (мощностью до 200— 300 кВт) на дорогостоящих радиоактивных изотопах.

На выработку электроэнергии в развитых странах расходуется порядка 30—35 % энергоресурсов, предполагается, что к 2000 г. эта цифра вырастет до 40—50%. Остальная часть энергоресурсов идет на транспортные двигатели и на получение тепла для промышленности и отопления. При этом непосредственно используются тепловая (около 75%), механическая (около 24%), электрическая и световая (в сумме порядка 1%) энергии.

Теплоэнергетика – это отрасль промышленности, которая занимается преобразованием теплоты в другие виды энергии. Она объединяет электростанции, работающие на ископаемом топливе. Уголь, нефть, природный газ являются наиболее часто используемыми источниками энергии в мире. Например, в РФ 358 тепловых станций вырабатывают более 60% всей генерируемой электроэнергии. Они по-прежнему имеют преимущество по сравнению с электростанциями, работающими от возобновляемых источников.

Ископаемое топливо: характеристика, проблематика

Природные запасы ископаемого топлива – это модифицированные продукты распада животных и растений, погибших миллионы лет назад. Когда они сжигаются на специализированных предприятиях, выделяется тепловая энергия, которая применяется для производства электрической.

Сегодня переход на чистые возобновляемые источники энергии является политической задачей всего мира. Это обусловлено тем, что ископаемое топливо будет исчерпано в течение последующих 200 лет, а мировые поставки сырой нефти и природного газа, по оценкам специалистов, иссякнут в течение 100 лет.

Но есть и преимущества ископаемого топлива:

Высокая эффективность. Оно может быть добыто относительно дешевым способом, а транспортировка его сравнительно быстра и удобна.
Технологии, необходимые для генерирования электроэнергии, давно отработаны, оборудование является надёжным, его легче приобрести и эксплуатировать, чем, например, устройства для солнечных или ветровых электростанций.

Помимо того, что запасы ископаемого топлива постепенно истощаются, главным недостатком процесса извлечения энергии этим способом является негативное воздействие на окружающую среду. Горение сопровождается образованием тяжелых твердых частиц и высоким выбросом углекислого газа.

Каменный уголь более качественный, но многие электростанции используют бурый, который добывать намного дешевле. Количество получаемой энергии в расчете на 1 кг веса бурого угля по сравнению с каменным примерно в 3 раза ниже (первого – 3 кВт⋅ч на кг, второго – 9 кВт⋅ч на кг). Поэтому на электростанциях, работающих на буром угле, необходимо сжигать тройную массу на единицу энергии.

Для уменьшения ущерба, наносимого окружающей среде, ТЭС имеют высотные дымоходы, которые рассеивают эти частицы и локально уменьшают их вредное влияние. Кроме того, на электростанциях устанавливаются дымоходные фильтры.

Как функционируют тепловые электростанции

Принцип действия тепловых электростанций практически одинаков и не зависит от вида ископаемого топлива. Отличается только предварительная обработка и конструкция горелок и печей.

Поступающее топливо сжигается, а вода в котлах нагревается до кипения. Образующийся пар приводит в движение турбину, которая связана с ротором генератора и вызывает его вращение. Напряжение генерируемого переменного тока повышается трансформаторами, а затем транспортируется по линиям электропередачи и через сеть понижающих подстанций поступает к потребителям.

Большая тепловая электростанция состоит из одного или нескольких блоков, которые могут работать в значительной степени независимо друг от друга. Каждый имеет свое оборудование – паровые турбины и электрогенераторы.

КПД тепловых электростанций

Эффективность тепловых электростанций ограничена. Наибольший КПД – 60%. Он достигается на парогазовых электростанциях, а на современных угольных – ниже 50%, на старых – всего 40%. Указанные показатели эффективности применимы к работе при полной нагрузке. При частичной КПД может значительно снизиться.

Практически все крупные электростанции, за исключением ГЭС, являются тепловыми, во многих странах они производят большую часть электроэнергии. Из-за их ограниченной эффективности образуется значительное количество отработанного тепла, использование которого на месте возможно только в малом объеме. Поэтому оно выбрасывается в атмосферу через градирни, иногда через охлаждающую воду в реки.

Существуют ТЭС только для выработки электроэнергии и ТЭЦ – теплоэлектроцентраль. Последние предназначены также для использования вырабатываемого тепла посредством его транспортировки в отопительные системы и трубопроводы горячего водоснабжения. КПД ТЭЦ намного выше, он может превышать 70%.

История тепловой энергетики и перспективы развития

Первую теплоэлектростанцию построил немецкий инженер Зигмунд Шуккерт в Баварии в 1878 году. С ее помощью освещался грот в саду замка Линдерхоф. В 1882 году были введены в эксплуатацию электростанция в Лондоне, которая использовалась для электрического освещения, и в Нью-Йорке (500 кВт). На них применялись поршневые паровые двигатели.

Изобретение паровой турбины позволило строить более крупные и эффективные установки, и с 1905 года тепловые электростанции стали возводиться только с турбинами.

В России первая тепловая электростанция общего пользования мощностью 35 кВт была построена в 1883 году в Санкт-Петербурге. Она предназначалась для подачи электроэнергии на освещение Невского проспекта. Московская ГЭС-1 (городская электростанция) появилась в 1897 году. Ее мощность составляла 3,7 мВт.

Структура тепловых электростанций в России на сегодняшний день:

с паровыми турбинами – 79% от общей мощности;
с парогазовыми агрегатами – 15,5%;
с газотурбинными агрегатами – 4,8%;
с дизельными и газопоршневыми установками – 0,7%.

Переход к выработке электроэнергии от возобновляемых источников не так прост, хотя это желаемое направление развития электроэнергетики для человечества. В ближайшее время отказаться от тепловой энергетики будет невозможно, и она сохранит свою доминирующую роль.

Главным направлением развития этой отрасли является разработка прогрессивных технологий, которые позволят снизить количество вредных выбросов в атмосферу, а также повысить эффективность работы теплоэлектростанций.

Крупнейшие тепловые электростанции

Самыми крупными являются гидроэлектростанции, но тепловые также обладают внушительной мощностью.

Крупнейшими в мире считаются:

Теплоэлектростанция в Шоаибе (Саудовская Аравия). В качестве топлива используют мазут или сырую нефть. Ее мощность – 5600 мВт. Расположена на побережье Красного моря. Пресная вода, необходимая для работы электростанции, поставляется установками по опреснению морской, которые в свою очередь снабжаются электроэнергией от станции.
Сургутская ГРЭС-2. Самая мощная газовая электростанция в мире.
Тайчжунская ТЭС (Тайвань). Может претендовать на 2 рекорда: с установленной мощностью 5500 мВт – это крупнейшая угольная электростанция в мире, в то же время ни одна другая ТЭС не производит больше углекислого газа – ежегодные его выбросы соответствуют годовым выбросам СО2 Швейцарии.

Крупнейшие тепловые электростанции России

Сургутская ГРЭС-2

Расположена в городе Сургуте в Тюменской области. Одна из самых эффективных российских ТЭС с условным расходом топлива – от 225 до 306 г/кВт⋅ч. Ее коэффициент использования установленной мощности несколько лет подряд превышал 80%. Тепловая производительность – 840 Гкал/ч.

Рефтинская ГРЭС

Покрывает 40% энергопотребления Свердловской области. Основные потребители – промышленные предприятия Свердловской, Челябинской и Тюменской областей, Пермского края. Возведение первой очереди Рефтинской ГРЭС продолжалось с 1963 по 1975 год, второй этап строительных работ закончен в 1980 году. Одна из дымовых труб станции входит в число высочайших в мире (330 м).

Костромская ГРЭС

Костромская ГРЭС снабжает электроэнергией области Центральной части РФ, а также осуществляет экспортные поставки. Она вырабатывает 3% всей российской электрической энергии.

Пермская ГРЭС

Потребители электроэнергии – расположенные в данном регионе нефтедобывающие, нефтеперерабатывающие, нефтехимические предприятия, а также промышленные компании Верхнекамского узла (металлургические, лесоперерабатывающие, извлекающие полезные ископаемые).

Сургутская ГРЭС-1

Станция введена в эксплуатацию в 1972 году, когда был запущен первый энергоблок. В дальнейшем (вплоть до 1983 года) ежегодно вводили в эксплуатацию по дополнительному блоку. Среднегодовая выработка электроэнергии – около 20 млн кВт⋅ч. Потребителями являются нефтегазодобывающие предприятия Тюменской области.

Рязанская ГРЭС

Первоначально станция строилась для работы на буром угле Подмосковного угольного бассейна. В 1984 году 5-й и 6-й блоки перевели на газ, а в 2008 г. рядом расположенная ГРЭС-24, работающая на газе, вошла в состав электростанции и получила название 7-го энергоблока. Максимальная годовая выработка электроэнергии достигала 9517 млн кВт⋅ч.

Киришская ГРЭС

Конаковская ГРЭС

Ириклинская ГРЭС

Ставропольская ГРЭС

На станции работает 8 энергоблоков по 300 мВт. Общая мощность – 2 423 мВт. Максимальный показатель годовой выработки электроэнергии – 11 379 кВт⋅ч. Основное топливо – природный газ, резервным и аварийным служит мазут. Из-за низкой рентабельности Ставропольскую ГРЭС планировали закрыть, но системный оператор не дал на это согласия по причине повышенного спроса на электроэнергию в энергосистеме.

История развития теплоэнергетики и связана с эволюцией развития естествознания и техники..Еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара . Однако низкий уровень науки и техники и отсутствие потребности в новом двигателе у общества остановили его разработку почти на 1700 лет.

Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. С увеличением глубины рудников потребность в мощности для откачивания воды увеличивалась в связи с повышением объемов откачиваемой воды и ростом высоты ее подъема из рудников. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Глубина шахт стала достигать 200 м. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике. Эта чисто практическая задача и стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.

Кризис, начавшийся в водоподъемных установках еще в XVII в., в XVIII в. распространился и на другие отрасли производства.

Таким образом, практика сумела решить первый этап задачи перехода от водяного колеса к тепловому двигателю.

20.История развития и возникновения гелиоэнергетики.

Гелиоэнергетические программы принятые более чем в 70 странах - от северной Скандинавии к выжженным пустыням Африки. Устройства, которые используют энергию солнца, разработаны для отопления, освещения и вентиляции домов, небоскребов, опреснение воды, производства электроэнергии.

Такие устройства используются в разных технологических процессах. Появились транспортные средства с "солнечным приводом" : моторные лодки и яхты, солнцелёты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоатракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, которая практически не уступает обычному автомобилю.

Концентраторы солнечного излучения. С детства многие помнят, что с помощью обычной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжёлые, дорогие и непростые в изготовлении. Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия. Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются или традиционные - стеклянные, или из полированного алюминия.

Технически концентрацию можно осуществлять с помощью различных оптических элементов - зеркал, линз, светловодов и др., однако при высоких уровнях мощности излучения, которое концентрируется, практически целесообразно использовать лишь зеркальные отражатели. Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент концентрации, который определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучевого потока, который падает на отражающую поверхность при условии точной ориентации на Солнце. Способность реальных систем, которая концентрирует, значительно ниже, но также определяется перво-наперво геометрией концентратора и угловым радиусом солнечного диска. Существенным образом на нее влияет и отражающая способность зеркальной поверхности, в особенности в случае многоразового отражения.

Высокопотенциальные системы концентрации должны иметь конфигурацию, близкую к форме поверхностей вращения второго порядка - параболоида, эллипсоида, гиперболоида или полусферы. Только в этом случае может быть достигнута плотность излучения, которое в сотни и тысячи раз превышает постоянную солнца. Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения имеют форму: цилиндрического параболоида; параболоида вращения; плоско-линейной линзы Френеля.

Параболоидная конфигурация имеет явный перевес перед другими формами по величине концентрующей способности. Поэтому именно она настолько широко распространена в гелиотехнических системах. Оптимальный угол раскрытия реальных параболоидных концентраторов, в отличие от угла идеального парабалоидного концентратора (45 o ), близок к 60 o .

Первые попытки использования солнечной энергии на широкой коммерческой основе относятся к 80-м годам XX века. Наибольших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года в Калифорнии введена в эксплуатацию солнечно-газовая электростанция мощностью 80 МВт, на которой используется система параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем - дифенилом, который нагревается до 350оС. Желоб вращается для наблюдения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему наблюдения за солнцем. Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВт·ч энергии составляет 7. 8 центов. Это ниже, чем на большинстве традиционных станций (атомные станции США вырабатывают электроэнергию стоимостью 15 центов за 1кВт·ч). В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом и в дневные часы - солнце.

Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что партнерами солнечной энергии должны выступать разные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее приемлемой "кандидатурой" является водород. Обратный процесс перевода энергии водорода в электроэнергию осуществляется особыми устройствами - топливными элементами.

Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня - направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.

21.История развития ветроэнергетики.

Первый ветродвигатель был простым устройством с вертикальной осью вращения, таким, например, как устройство, которое применялось в Персии за 200 лет до нашей эры для размола зерна. Использование такой мельницы с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Немного позднее была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, которая состояла из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до сих пор в многих странах бассейна Средиземного моря. В ІХ столетии ветреные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и попали в Европу в Х столетии при возвращении крестоносцев. В средние века в Европе многие поместные законы, включая и право отказа в разрешении на строительство ветреных мельниц, заставляли арендаторов иметь площади для посева зерна возле мельниц феодальных имений. Посадки деревьев близ ветреных мельниц запрещались для обеспечения "свободного ветра". В XIV столетии голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветреных мельниц и широко использовали их с этих пор для осушения болот и озер в дельте реки Рейн. Между 1608 и 1612 гг. польдер Беемстер, который находился на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветродвигателей мощностью 37 квт каждый.

Позднее известный инженеров-гидравлик Лигвотер, применив 14 ветродвигателей производительностью 1000 м 3 /мин., которые перекачивали воду в аккумулирующий бассейн, осушил за четыре года польдер Шермер. Потом 37 ветродвигателей перекачивали воду из бассейна в кольцевой канал, откуда она попадала в Северное море.

В 1582 г. в Голландии была построена первая маслобойня, которая использовала энергию ветра, через 4 года - первая бумажная фабрика, которая удовлетворяла повышенные требования к бумаге, обусловленные изобретением печатной машины.

В середине XIX столетия в Голландии использовалось для разных целей около 9 тыс. ветродвигателей. Голландцы внесли много усовершенствований в конструкцию ветреных мельниц и, в частности, ветроколеса.

Более поздний для улучшения аэродинамической формы лопате бруски были присоединены к ее задней кромке. В более современных конструкциях паруса были заменены тонким листовым металлом, использовались стальные махи и разные типы жалюзи и щитков для регулирования частоты обращение ветроколеса при больших скоростях ветра. Большие ветреные мельницы заводского изготовления при больших скоростях ветра могли развивать мощность до 66 квт.

Первой лопастной машиной, которая использовала энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследование показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с высочайшим КПД, который непосредственно использует энергию ветра для движения.

Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель как двигатель для перемещения по воде. Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в движение гребное колесо. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного направления может двигать судно в любом направлении.

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевський заинтересовался ветряными мельницами и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветреной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ столетия интерес к воздушным винтам и ветроколёсам не был обособлен от общих тенденций времени - использовать ветер, где это только возможно. Сначала наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном "Фраме" он вращал динамомашину. На парусниках ветряные мельницы передавали движение насосам и якорным механизмам.

В Русской империи к началу минувшего столетия работало около 2500 тысяч ветряных мельниц общей мощностью 1 млн. квт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году близ Ялты была построена наибольшая на том время ветроэнергетическая установка мощностью 100 квт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 квт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, который занимался этой проблемой, был закрыт.

Сформировавшаяся ситуация отнюдь не обуславливалась местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США до 1940 года построили ветроагрегат мощностью 1250 кВт. До конца войны одна из его лопатей получила повреждения. Ее даже не стали ремонтировать - экономисты подсчитали, что более выгодно использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее творец и собственник П.Путнем выложил свой печальный опыт в прекрасной книге "Энергия ветра", которая не утратила до сих пор своей актуальности.

Читайте также: