Тема 3. Современные способы получения электрической энергии

Современная наука и техника основываются на фун­даментальных законах сохранения материи и энергии. Понимание этих законов необходимо для решения акту­альных задач повышения эффективности преобразова­ния и потребления энергии, разработки новых способов получения электроэнергии и т. д.

Закон сохранения материи. Трудно назвать эпоху, в которую этот закон был открыт. Первые представления о сохранении материи складывались задолго до нашей эры в древней индийской философии, откуда они, види­мо, проникли в Древнюю Грецию. Еще за 450 лет до н. э. древнегреческий философ Эмпедокл утверждал, что ничто не возникает из ничего и ничто не может быть уничтожено. Идея о сохраняемости вещества была раз­вита в Древней Греции в связи с учением об атомном строении материи.

Многие выдающиеся ученые, мыслители древности и более позднего времени — средневековья и эпохи Воз­рождения - в различной форме высказывали идеи о сохранении материи. Были даже попытки опытным пу­тем доказать справедливость закона сохранения массы.

Экспериментальное подтверждение закона сохране­ния массы получало тем большую доказательную силу, чем выше достигалась точность определения масс.

Закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии открыт в середине XIX в. О значении законов сохране­ния материи и энергии физик Планк во введении к своей книге «Принцип сохранения энергии» писал, что имеются два закона, которые служат фундаментом для современного здания точных естественных наук: принцип сохра­нения материи и принцип сохранения энергии.

Закон сохранения энергии в учении о тепловых превращениях получил название первого принципа тер­модинамики. Рассмотрим действие его на примере некоторой системы С, совершающей механическую рабо­ту за счет теплоты. Пусть температура системы С во всех точках одинакова. При подведении теплоты к систе­ме ее энергия увеличивается. Если воздействие на систе­му сводится только к подведению теплоты, то увеличе­ние энергии системы происходит на величину ∆ U=Q. Система может совершить работу за счет уменьшения своей энергии и понижения температуры. Если одновре­менно происходит подведение к системе теплоты и со­вершение системой работы А, то изменение энергии системы происходит на величину ∆ U'=Q-А. Если энергия системы не изменяется, то А = Q.

Это уравнение в количественной форме выражает первый принцип термодинамики, состоящий в том, что для получения работы без изменения энергии к системе необходимо подводить теплоту. Поэтому невозможно создать двигатель, который мог бы совершать работу, не получая теплоты, т. е. невозможно создать вечный дви­гатель первого рода.

Можно, не нарушая первого принципа термодинами­ки, умозрительно представить работу двигателя, в кото­ром теплота передается от менее нагретого тела к более нагретому и при этом работа не совершается. Такие дви­гатели получили название вечных двигателей второго рода. Многовековой опыт человечества показал, что создание вечных двигателей второго рода, так же как и вечных двигателей первого рода, невозможно.

В термодинамике рассматриваются равновесные состояния тел, температура которых в занимаемом объ­еме, а также давление, приложенное ко всей поверхности тела, одинаковы.

На современных мощных ТЭС превращение теплоты в работу происходит в циклах, где в качестве рабочего тела используется водяной пар.

Термодинамический цикл преобразования теплоты в работу с помощью водяного пара был предложен в сере­дине XIX в. шотландским инж. У. Ренкиным. Принципи­альная технологическая схема ТЭС, работающей по циклу Ренкина (рис. 2.1), состоит из парогенератора 1, турбины 2, электрического генератора 3, конденсатора 4

Рис. 2.1. Принципиальная технологи­ческая схема тепло­вой электростанции, работающей по цик­лу Ренкина: 1 — парогенератор; 2 — турбина; 3 — электриче­ский генератор; 4 — кон­денсатор; 5 — насос; АВС — пар; СDA - кон­денсат

Рис. 2.2. Схема идеаль­ного цикла Ренкина па­росиловой установки:

АВ - подвод теплоты ра­бочему телу в парогенера­торе, ВС- преобразование энергии пара в механиче­скую энергию в турбине; СД - охлаждение пара в конденсаторе; DА — подача насосом конденсата в паро­генератор

Процесс расширения пара в турбине в идеальном цикле Ренкина (рис. 2.2) происходит по адиабате ВС. Далее отработанный в турбине пар конденсируется и из кон­денсатора охлаждающей водой отводится теплота. Кон­денсации пара соответствует участок СD. Конденсат питательным насосом подается в парогенератор, что со­провождается возрастанием давления воды при постоян­ном объеме, так как вода несжимаема. Этому процессу соответствует участок DА

КПД идеального цикла Ренкина, как и любой тепло­вой машины, характеризуется отношением теплоты, за­траченной на работу, ко всей полученной от нагревате­ля теплоте:

K= (Q1-Q2)/Q1

где Q1 — количество теплоты, подведенное к рабочему телу в парогенераторе;

Q2 — количество теплоты, отве­денного охлаждающей водой в конденсаторе.

При анализе свойств тепловых машин обычно составляют энергетический баланс, иногда назы­ваемый тепловым балансом. Например, при рассмотре­нии тепловых станций приводится баланс теплоты, в ко­тором, как правило, за 100% принимается теплота, получаемая при сжигании органического топлива, и далее указываются составляющие расхода этой теплоты на выработку электроэнергии, потери в различных эле­ментах: паропроводах, конденсаторах, турбинах и т. д. При этом необходимо учитывать качество теплоты, ха­рактеризуемое эксергией — максимальной способностью материи к совершению работы в таком процессе, конеч­ное состояние которого определяется условиями термо­динамического равновесия с окружающей средой.

Количественно эксергия определяется отношением

Эк=(T1-T2)/T1

где Т1-температура теплоносителя, К; Т2 — температу­ра окружающей среды, К.

Работа А, кГм, которую можно получить за счет некоторого количества теплоты Q, связана с эксергией выражением

A=427QЭк

Следовательно, качество теплоты, определяемое ее работоспособностью, отражается эксергией. Уменьше­ние потерь теплоты наиболее эффективно там, где эксер­гия больше. Очевидно, что чем ближе температура рабочего тела к температуре окружающей среды, тем практическая пригодность тепловой энергии ниже. В конденсаторах ТЭС температура рабочего тела близ­ка к температуре окружающей среды, поэтому возника­ющие в них большие потери энергии отражают потери в других звеньях цепочки преобразований энергии и ука­зывают на несовершенство тепловых процессов.

Качество энергии в конденсаторах низкое, его сни­жение происходит на предшествующих этапах преобра­зования энергии. Таким образом, тепловой баланс не позволяет выявить элементы тепловой установки, в ко­торых протекают процессы, снижающие качество энергии.

Окружающая среда содержит, по существу, неогра­ниченное количество теплоты, однако ее качество, опре­деляемое практической пригодностью, в соответствии со вторым законом термодинамики равно нулю. Для оценки практической пригодности энергии, содержащейся в материи, важно знать не только количество эксергии, но и ее концентрацию, т. е. отношение эксергии к объему термодинамического агента. Чем выше концентрация эксергии, тем лучше показатели сооружения и эксплуа­тации энергетических установок.

Оценка запасов энергоресурсов и показателей их добычи определяется эффективностью их полезного употребления. Усовершенствование техни­ческих установок, позволяющее более полно (т. е. с большим КПД) использовать первичные энергоресурсы, означает, что для получения одного и того же количества энергии требуется меньшее количество первичных ресур­сов. Определяя КПД, вспомним, что согласно теории относительности, созданной А. Эйнштейном, масса тела зависит от скорости движения его:

где m₀ — масса покоя, т. е. масса тела при скорости, рав­ной нулю (v=0); с=3× 10¹⁰ см/с — скорость света.

Если скорость движения тела равна нулю, то m = m₀. При увеличении скорости масса тела увеличивается, и в пределе, когда тело движется со скоростью света (v/с=1), его масса равна бесконечности. При этом ни­какие конечные силы не в состоянии изменить траекто­рию движения тела.

А. Эйнштейн показал, что полная энергия тела и его масса связаны соотношением, имеющим универсальное значение:

Е=mс².

В соответствии с этим соотношением энергия, отве­чающая массе в 1 кг, равна 25 ТВ*ч, что значительно превышает полную потребность в электрической энергии всего населения мира в течение суток.

В результате аннигиляции, происходящей при столк­новении электрона с позитроном, происходит уничтоже­ние этих частиц и порождение двух у-квантов с энергией 0, 51МэВ каждый, что в точности равно энергии покоя электрона и позитрона — m_ос².

Если использование первичных ресурсов оценить несколько необычно, а именно учитывая их энергию, со­держащуюся в массе вещества, согласно приведенному соотношению, то придется констатировать, что преобразование этих первичных ресурсов в электроэнергию на станциях различных типов (табл. 2.1) происходит с низким КПД. При этом наибольший КПД соответствует АЭС, а наименьший — ГЭС. Значения расхода энергоно­сителей и КПД, приведенные в табл. 2.1, определены для электростанций одинаковой мощности (1 ГВт), выраба­тывающих за сутки 24 ГВт× ч (86, 4× 10¹² Дж) энергии.

Расчет КПД по веществу можно производить следую­щим образом. Через турбины ГЭС мощностью 1 ГВт для получения энергии 120× 10¹² Дж необходимо пропустить 700× IО⁶ т воды. Эта масса воды обладает внутренней энергией 630× 10²⁶ Дж. Следовательно, КПД по веществу η = 120× 10¹²/(630× 10²⁶) 100% =0, 19× 10-¹². Аналогично на­ходится КПД для ТЭС: η = 0, 2× 10-⁵ (см. табл. 2.1). На АЭС для получения этой же энергии необходимо только 1, 5—2 кг обогащенного урана, при этом КПД оказы­вается равным 0, 01. Однако следует учитывать, что при обогащении урановой руды из 1000 кг примерно 900 кг составят примеси.

Вопрос об увеличении КПД процессов получения энергии является актуальным. Увеличение КПД очень важно для нашей страны, где происходит быстрый рост энергетики. Большое значение уменьшения потерь и повышения КПД не снижается тем обстоятельством, что Россия является одной из самых богатых стран мира по геологическим запасам топлива, которые по отношению к мировым составляют: по углю — более 50%, по газу — 40%, по торфу —60%.