 |
|
Традиційні джерела електро енергії.
Основні складаючі енергосистеми.
Теплові електростанції.
Теплова електростанція (ТЕС), електростанція, в якій первісна енергія має хімічну форму і вивільняється шляхом спалювання вугілля, рідкого палива чи газу; в парових електростанціях (з паровими турбінами) у топці парового котла відбувається перетворення хімічної енергії палива в тепло газів — продуктів згоряння; це тепло передається воді та водяній парі, пара з котла надходить до парової турбіни, де тепло перетворюється на кінетичну енергію обертання електрогенератора, з'єднаного з турбіною; відпрацьована в турбіні пара надходить до конденсатора і віддає тепло охолоджуючій воді (наприклад, з ріки); у деяких електростанціях застосовують замість парової газову турбіну.
Типи теплових електростанцій та принцип їх роботи.
За видом генерованої і відпускної енергії теплові електростанції поділяють на два основних типи: конденсаційні (КЕС), призначені тільки для виробництва електроенергії, і теплофікаційні, або теплоелектроцентралі (ТЕЦ). Конденсаційні електричні станції,що працюють на органічному паливі, будують поблизу місць його добування, а теплоелектроцентралі розміщують поблизу споживачів тепла – промислових підприємств і житлових масивів. ТЕЦ також працюють на органічному паливі, але на відміну від КЕС виробляють як електричну, так і теплову енергію у вигляді гарячої води і пари для виробничих і теплофікаційних цілей. До основних видів палива цих електростанцій відносяться: тверде – кам’яне вугілля, антрацит, напівантрацит, буре вугілля, торф, сланці; рідке – мазут і газоподібне – природний, коксовий, доменний і т.п. газ.
Запорізька ТЕС (3600 МВт) – одна із найпотужніших ТЕС України (ділить 1–2-е місця з Вуглегірською ТЕС)
| Назва | Енергетичне підприємство | Область | Час будівництва | Потужність | Турбіни |
| Бурштинська ТЕС | Західенерго | Івано-Франківська | 1965-1969 | 2300 Мвт | 4х183, 8х195 |
| Вуглегірська ТЕС | Центренерго | Донецька | 1972-1977 | 3600 Мвт | 4x300+3x800 |
| Добротвірська ТЕС | Західенерго | Львівська | 1959-1964 | 600 Мвт | 3x100+2x150 |
| Запорізька ТЕС | Дніпроенерго | Запорізька | 1972-1977 | 3600 Мвт | 4x300+3x800 |
| Зміївська ТЕС | Центренерго | Харківська | 1960-1969 | 2175 Мвт | 6х175+3х275+1х300 |
| Криворізька ТЕС | Дніпроенерго | Дніпропетровська | 1965-1973 | 2820 Мвт | 10х282 |
| Ладижинська ТЕС | Західенерго | Вінницька | 1970-1971 | 1800 Мвт | 6x300 |
| Луганська ТЕС | Луганська | 6x200+4x300 | |||
| Придніпровська ТЕС | Дніпроенерго | Дніпропетровська | 1959-1966 | 2400 Мвт | 4х150, 3х285, 1х300 |
| Слов'янська ТЕС | Донбасенерго | Донецька | 800 Мвт | 1х800 | |
| Старобешівська ТЕС | Донбасенерго | Донецька | 1961-1967 | 1725 Мвт | 9х175, 1х200 |
| Трипільська ТЕС | Центренерго | Київська | 1969-1972 | 1800 Мвт | 6x300 |
| Штерівська ДРЕС | Демонтована |
За даними Центру досліджень енергетики, станом на 2013 рік, понад 90% всіх встановлених потужностей — знаходяться за межами граничного моторесурсу, а понад 60% — взагалі за межами кордонів фізичного зносу (значно більше 200 000 годин напрацювання).
Таблиця електростанцій фактичною потужністю більше 20 МВт
Теплові електростанції
| Розташування | Фактична потужність, МВт | Побудова першої черги | |
| Алчевська ТЕС | Алчевськ | ||
| Білоцерківська ТЕЦ | Біла Церква | ||
| Бурштинська ТЕС | Бурштин | 1965-1969 | |
| Вуглегірська ТЕС | Світлодарськ | ||
| Дарницька ТЕЦ (Київська ТЕЦ-4, «Укр-Кан Пауер») | Київ, Дарниця | 1950-1954 | |
| Дніпродзержинська ТЕЦ | Дніпродзержинськ | 61,6 | 1931-1940 |
| Добротвірська ТЕС | Добротвір | 1955-1956 | |
| Запорізька ТЕС | Енергодар | 1970-1973 | |
| Зміїївська ТЕС | Комсомольське (Зміївський район) | 1956-1960 | |
| Зуївська ТЕС | Зугрес | 1975-1982 | |
| Калуська ТЕЦ | Калуш | ||
| Київська ТЕЦ-5 | Київ, Теличка | 1968-1971 | |
| Київська ТЕЦ-6 | Київ, Вигурівщина-Троєщина | 1977-1982 | |
| Краматорська ТЕЦ | Краматорськ | ||
| Кременчуцька ТЕЦ | Кременчук | 1965-1969 | |
| Криворізька ТЕС | Зеленодольськ | 1961-1965 | |
| Курахівська ТЕС | Курахове | 1936-1937 | |
| Ладижинська ТЕС | Ладижин | 1970-1971 | |
| Луганська ТЕС | місто Щастя | 1953-1956 | |
| Львівська ТЕЦ-1 | Львів | ||
| Миколаївська ТЕЦ | Миколаїв | ||
| Миронівська ТЕС | Миронівський | ||
| Новороздільська ТЕЦ | Новий Розділ | ? | |
| Новояворівська ТЕЦ | Новояворівськ | 2006-2008 | |
| Одеська ТЕЦ | Одеса | ||
| Олександрійська ТЕЦ-3 | Димитрове | 59,5 | |
| Первомайська ТЕЦ | Первомайськ | ||
| Придніпровська ТЕС | Дніпропетровськ | ||
| Севастопольська ТЕЦ | Севастополь | ||
| Розташування | Фактична потужність, МВт | Побудова першої черги | |
| Сєвєродонецька ТЕЦ | Сєвєродонецьк | ||
| СімферопольськаТЕЦ | Сімферополь | ||
| Слов'янська ТЕС | Миколаївка | 1951-1954 | |
| Старобешівська ТЕС | Новий Світ | 1954-1958 | |
| Сумська ТЕЦ | Суми | 1953-1957 | |
| ТЕЦ «Запоріжсталь» | Запоріжжя | ||
| ТЕЦ «Кіровоградолія» | Кіровоград | 26,7 | |
| ТЕЦ «Свема» | Шостка | ||
| ТЕЦ «Стирол» | Горлівка | ||
| ТЕЦ шахти ім. Засядька | Донецьк | 36,35 | |
| Трипільська ТЕС | Українка | 1963-1969 | |
| Харківська ТЕЦ-2 | Есхар | 1925-1930 | |
| Харківська ТЕЦ-3 | Харків, Фрунзенський район | 1933-1934 | |
| Харківська ТЕЦ-5 | Подвірки | 1972-1979 | |
| Херсонська ТЕЦ | Херсон | ||
| Черкаська ТЕЦ | Черкаси | 1961-1969 | |
| Чернігівська ТЕЦ | Чернігів |
Особливістю роботи електричних станцій в мережі є те, що загальна кількість електричної енергії, вироблюваної ними в кожний момент часу, повинна повністю відповідати споживаній енергії. Основна частина електричних станцій працює паралельно в об’єднаній енергетичній системі, покриваючи загальне електричне навантаження системи, а ТЕЦ одночасно і теплове навантаження свого району. Є електростанції місцевого значення, призначені для обслуговування району і не підключені до загальної енергосистеми.
Графічне зображення залежності електроспоживання в часі називають графіком електричного навантаження. Добові графіки електричного навантаження (мал. 1.5) змінюються в залежності від часу року, дня тижня і характеризуються зазвичай мінімальним навантаженням в нічний період і максимальним навантаженням в години пік (пікова частина графіка). Поряд із добовими графіками велике значення мають річні графіки електричного навантаження (мал. 1.6), які будуються за даними добових графіків.
Мал.1.5. Добові графіки електричного навантаження: а – промисловий; б – освітлювально-побутовий; в – сумарний.
Графіки електричних навантажень використовуються при плануванні електричних навантажень електростанцій і систем, розподілі навантажень між окремими електростанціями і агрегатами, в розрахунках по вибору складу робочого і резервного обладнання, визначенні потрібної встановленої потужності і необхідного резерву, числа і одиничної потужності агрегатів, при розробці планів ремонту обладнання і визначенні ремонтного резерву та ін.
При роботі з повним навантаженням обладнання електростанції розвиває номінальну або максимально тривалу потужність (продуктивність), яка є основною паспортною характеристикою агрегату. На цій найбільшій потужності (продуктивності) агрегат повинен довго працювати при номінальних значеннях основних параметрів. Однією з основних характеристик електростанції є її встановлена потужність, яка визначається як сума номінальних потужностей всіх електрогенераторів і теплофікаційного обладнання з врахуванням резерву.
Робота електростанції характеризується також числом годин використання встановленої потужності, яке залежить від того, в якому режимі працює електростанція. Для електростанцій, які несуть базове навантаження, число годин використання встановленої потужності складає 6000–7500 год/рік, а для працюючих в режимі покриття пікових навантажень – менше 2000–3000 год/рік.
Мал. 1.7. Графік добового теплового навантаження підприємств:
Навантаження, за якого агрегат працює з найбільшим к.к.д., називають економічним навантаженням. Номінальне тривале навантаження може дорівнювати економічному. Інколи можлива короткочасна робота обладнання з навантаженням на 10–20% вищим номінального при більш низькому к.к.д. Якщо обладнання електростанції стійко працює з розрахунковим навантаженням при номінальних значеннях основних параметрів або при зміні їх в допустимих межах, то такий режим називається стаціонарним.
Режими роботи з установленими навантаженнями, які відрізняються від розрахункових, або з неустановленими навантаженнями називають нестаціонарними або змінними режимами. При змінних режимах одні параметри залишаються незмінними і мають номінальні значення, інші – змінюються у визначених допустимих межах. Так, при частковому навантаженні блоку тиск і температура пари перед турбіною можуть залишатись номінальними, в той час як вакуум в конденсаторі й параметри пари у відборах змінюються пропорційно навантаженню. Можливі також нестаціонарні режими, коли змінюються всі основні параметри. Такі режими мають місце, наприклад, при пуску і зупинці обладнання, скиданні та накиді навантаження на турбогенераторі, при роботі на змінних параметрах і називаються нестаціонарними
. 
Мал. 1.8. Сумарний річний графік теплового навантаження по тривалості: I – опалювальний період; II – літній період
Теплове навантаження електростанції використовується для технологічних процесів і промислових установок, для опалення і вентиляції виробничих, житлових і громадських будівель, кондиціювання повітря і побутових потреб. Для виробничих цілей зазвичай потрібна пара тиском від 0,15 до 1,6 МПа. Проте, щоб зменшити втрати при транспортуванні й уникнути необхідності безперервного дренування води із комунікацій, з електростанції пару відпускають дещо перегрітою. На опалення, вентиляцію і побутові потреби ТЕЦ подає зазвичай гарячу воду з температурою від 70 до 180°С.
Теплове навантаження, що визначається витратою тепла на виробничі процеси і побутові потреби (гаряче водопостачання), залежить від зовнішньої температури повітря. В умовах України влітку це навантаження (як і електричне) менше зимового. Промислове і побутове теплові навантаження змінюються впродовж діб, крім того, середньодобове теплове навантаження електростанції, що витрачається на побутові потреби, змінюється в робочі та вихідні дні. Типові графіки змін добового теплового навантаження промислових підприємств й гарячого водопостачання житлового району показані на мал. 1.7 і 1.8.
Ефективність роботи ТЕС характеризується різними техніко-економічними показниками, одні з яких оцінюють досконалість теплових процесів (к.к.д., витрати теплоти і палива), а інші характеризують умови, в яких працює ТЕС. Наприклад, на мал. 1.9 (а, б) наведено приблизні теплові баланси ТЕЦ і КЕС.
Мал. 1.9. Тепловий баланс: а – теплоелектроцентралі ТЕЦ; б – конденсаційної електростанції КЕС
Як видно із малюнків, комбінований виробіток електричної і теплової енергії забезпечує значне підвищення теплової економічності електростанцій завдяки зменшенню втрати теплоти в конденсаторах турбін.
Найбільш важливими і повними показниками роботи ТЕС є собівартості електроенергії і теплоти.
Теплові електростанції мають як переваги, так і недоліки в порівнянні з іншими типами електростанцій. Можна вказати наступні переваги ТЕС:
• відносно вільне територіальне розміщення, пов’язане з широким розповсюдженням паливних ресурсів;
• здатність (на відміну від ГЕС) виробляти енергію без сезонних коливань потужності;
• території відчуження і виведені із господарського обороту землі під спорудження і експлуатацію ТЕС, як правило, значно менші, ніж це необхідно для АЕС і ГЕС;
• ТЕС споруджуються значно швидше, ніж ГЕС або АЕС, а їх питома вартість на одиницю установленої потужності нижча в порівнянні з АЕС.
У той же час ТЕС володіють великими недоліками:
• для експлуатації ТЕС зазвичай потрібно набагато більше персоналу, ніж для ГЕС, що пов’язано з обслуговуванням досить масштабного за об’ємом паливного циклу;
• робота ТЕС залежить від поставок паливних ресурсів (вугілля, мазут, газ, торф, горючі сланці);
• змінність режимів роботи ТЕС знижує ефективність, підвищує витрату палива і призводить до підвищеного зношення обладнання;
• існуючі ТЕС характеризуються відносно низьким к.к.д. (в основному до 40%);
• ТЕС чинять прямий і неблагополучний вплив на навколишнє середовище і не є екологічно «чистими» джерелами електроенергії.
Атомні електростанції.
Атомна електростанція (АЕС) – електростанція, в якій атомна (ядерна) енергія перетворюється в електричну. Генератором енергії на АЕС є атомний реактор. Тепло, яке виділяється в реакторі в результаті ланцюгової реакції ділення ядер деяких важких елекментів, потім так само, як і на звичайних теплових електростанціях (ТЕС), перетвориться в електроенергію. На відміну від теплоелектростанцій, що працюють на органічному паливі, АЕС працює на ядерному пальному (в основному 233 U, 235 U, 239 Pu).
Атомні електростанції
| Розташування | фактична потужність, МВТ | Побудова першої черги | |
| Рівненська АЕС | Кузнецовськ | 1973-1980 | |
| Південноукраїнська | Южноукраїнськ | 1975-1982 | |
| Запорізька | Енергодар | 1981-1984 | |
| Хмельницька | Нетішин | 1981-1987 |
Енергоблоки українських АЕС
З 15-ти діючих енергоблоків станом на початок 2012 року, дванадцять енергоблоків України були збудовані за СРСР, ще три були запущені після його розвалу, в 1995-му та 2004-х роках. Всі енергоблоки з реакторами РБМК, що працювали в Україні, входили в склад Чорнобильської АЕС. В результаті Чорнобильської аварії енергоблок-4 був зруйнований, решта були почергово закриті в період з 1991 по 2000 роки. Таким чином усі енергоблоки, що залишились в країні відносяться до ВВЕР, 2 —ВВЕР-440 і 13 — ВВЕР-1000.
Україна відноситься до країн частково забезпечених традиційними видами первинної енергії і має середньоєвропейський рівень енергозалежності. Стан енергозабезпечення та енерговикористання в Україні на сьогодні характеризується тим, що вітчизняна економіка споживає значно більшу кількість первинної енергії на одиницю виробленого ВВП; має майже вдвічі більшу, ніж країни ЄС, США та інші країни світу, частку природного газу у структурі власного споживання енергії (41% в Україні проти 21% у світі, 22% у ЄС, 24% у США); залежить від умов постачання газу з країн СНД.
Атомні елекростанції (АЕС) України виробляють 45-50% споживаної в країні електроенергії. Потенційні можливості країни по створенню енергетичних потужностей на атомних станціях дозволяють зробити висновок про те, що в найближчі роки атомні станції будуть залишатися базою енергетики України. Енергетична стратегія України на період до 2030 року передбачає зростання виробництва електроенергії в країні до 420,1 млрд. кВт/г. При цьому частка виробництва електроенергії на АЕС у 2030 році повинна скласти 52 % від загального виробництва електроенергії в Україні.
Розвиток ядерної енергетики в Україні є важливою складовою забезпечення енергетичної безпеки країни. Перспективи розвитку атомної енергії тісно пов’язані з питаннями екології, ядерної та радіаційної безпеки. Безперечною перевагою ядерної енергетики є її екологічна безпека у порівнянні з тепловою енергетикою. Наявні переваги ядерної енергетики, зростання цін на нафту й газ, введення в дію Кіотського протоколу — як механізму боротьби з глобальними змінами клімату через неконтрольовані викиди парникових газів, призвели до дострокового закінчення так званої газової паузи і прискорення розвитку атомної енергетики.
Однак у сучасної атомної енергетики є й істотні недоліки:
- безпека поховання великої кількості радіоактивних відходів (РАВ) на десятки і сотні тисяч років викликає сумнів через надійність таких довготривалих фізично-геологічних прогнозів;
- існує нагальність створення стратегічного запасу ядерного палива для забезпечення роботи українських АЕС та вирішення питання поводження з відпрацьованим ядерним паливом;
- значні проблеми виникають у зв’язку з недостатньою пропускною спроможністю ліній електропередачі для видачі потужностей АЕС (Рівненська, Хмельницька, Запорізька);
- кошти державного бюджету, виділені на підвищення енергоефективності, використовують вкрай неефективно.
Саме тому для підвищення ефективності роботи АЕС передбачається розроблення таких програм, зокрема: “Програми розвитку магістральних та міждержавних електричних мереж напругою 220-750 кВ”, “Програми інтеграції української енергосистеми в європейську (Інтеграція в UCTE)”, “Програми розвитку експортного потенціалу українського паливно-енергетичного комплексу”, “Адаптація енергетичного законодавства України до законодавства Європейського Союзу”, а також “Програма науково-технічного забезпечення”, тощо.
На сьогоднішній час потрібно втілити в життя наступні заходи:
- підвищити рівень безпеки АЕС, який вимагає докорінної реконструкції автоматизованої системи управління технологічними процесами;
- створення ядерно-паливного циклу в Україні на базі передових технологій, який забезпечить гарантовану незалежність АЕС від імпорту ядерного палива і знизить потреби України в його закупівлі;
- необхідно створити власні сховища ядерних відходів, які мають бути розташовані в зоні відчуження;
- АЕС повинні мати право вільного і безперешкодного продажу електроенергії безпосередньо як енергопостачальникам, так і споживачам;
- збільшення експорту електроенергії з України можливе лише за умови об’єднання з європейською енергосистемою (UCTE/CENTREL);
- необхідно збільшити пропускну спроможність міждержавних електромереж як на території України так і на територіях країн ЄС, що потребує обгрунтованих дій відповідних вітчизняних та зарубіжних структур.
Потреба в споживані енергії зростає з кожним роком. Україна входить до кола держав з високим споживанням електроенергії, тому існує необхідність раціонального використання і поліпшення стану постачання електроенергії до споживача, саме тому Україна повинна реформувати законодавство щодо електроенергетики відповідно до європейських стандартів, а також усунути всі проблеми повязані з технічним станом АЕС.
Атомна електроенергетика може скоротити залежність нашої країни перед іноземними імпортерами нафти і газу, а це в свою чергу зміцнить економіку і посилить імідж держави в світі.
Гідроелектростанції
Гідроелектростанція (ГЕС) – це електростанція, яка за допомогою гідротурбіни перетворює кінетичну енергію води в електроенергію.
Різновиди ГЕС
ГЕС, будівля якої є частиною греблі, називається русловою (наприклад, Кременчуцька, Київська ГЕС);
Якщо будівля розташована окремо, біля основи греблі на протилежному від водосховища боці, то така ГЕС називається пригреблевою (наприклад, ДніпроГЕС);
ГЕС, до якої вода подається трубами, називається дериваційною (наприклад, Інгурський каскад на Кавказі);
Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС) з оборотними гідроагрегатами, що в години малого споживання електроенергії перекачують воду з водосховища у верхній басейн, а в години пікових навантажень, виробляють енергію як звичайні ГЕС (наприклад, Київська ГАЕС, Дністровська ГАЕС, Ташлицька ГАЕС);
ГЕС з використанням енергії припливів називають припливними (наприклад, ГЕС у Франції на ріці Ранс).
Принцип роботи
Принцип роботи ГЕС досить простий. Гідротехнічні споруди забезпечують необхідний напір води, що надходить на лопаті гідротурбіни, яка приводить в дію генератори, що виробляють електроенергію.
Необхідний напір води утворюється за допомогою будівництва греблі, і як наслідок концентрації річки в певному місці, або деривації - природним струмом води. У деяких випадках для отримання необхідного напору води використовують спільно і греблю, і деривації.
Безпосередньо в самій будівлі гідроелектростанції розташовується все енергетичне обладнання. У залежності від призначення, воно має свій певне поділ. У машинному залі розташовані гідроагрегати, які безпосередньо перетворюють енергію струму води в електричну енергію. Є ще всіляке додаткове обладнання, пристрої керування й контролю над роботою ГЕС, трансформаторна станція, розподільні пристрої та багато іншого.
Гідроелектричним станції поділяються в залежності від вироблюваної потужності:
· потужні - виробляють від 25 МВт до 250 МВт і вище;
· середні - до 25 МВт;
· малі гідроелектростанції - до 5 МВт (в деяких країнах малими визнаються гідроелектростанції із потужністю до 10 МВт).
Цінність гідроелектричної станції полягає в тому, що для виробництва електричної енергії вони використовують поновлювальні джерела енергії. З огляду на те, що потреби в додатковому паливі для ГЕС немає, кінцева вартість одержуваної електроенергії значно нижче, ніж при використанні інших видів електростанцій.
| Гідроелектростанції України | ||||
| Ріка | Розташування | Фактична потужність, МВт | Побудова першої черги | |
| Дніпровська ГЕС | Дніпро | Запоріжжя | 1927–1932 | |
| Дніпродзержинська ГЕС | Дніпро | Дніпродзержинськ | ||
| Дністровська ГАЕС | Дністер | Розкопинці | 1983–2008 | |
| Дністровська ГЕС-1 | Дністер | Новодністровськ | 1973–1981 | |
| Дністровська ГЕС-2 | Дністер | Нагоряни (Могилів-Подільський район) | 40,8 | |
| Канівська ГЕС | Дніпро | Канів | ||
| Каховська ГЕС | Дніпро | Нова Каховка | ||
| Київська ГАЕС | Дніпро | Нові Петрівці | 235,5 | |
| Київська ГЕС | Дніпро | Вишгород | 408,5 | |
| Кременчуцька ГЕС | Дніпро | Світловодськ | ||
| Ташлицька ГАЕС | Південний Буг | Южноукраїнськ | 1981–2006 | |
| Теребле-Ріцька ГЕС | Теребля та Ріка | Хустський район | 1949–1956 |
1.2.2. Нетрадиційні джерела електроенергії.
Енергія вітру
Ми живемо на дні повітряного океану, в світі вітрів. Люди давно це зрозуміли, вони постійно відчували на собі дію вітру, хоча довгий час не могли пояснити багато явищ.
Величезна енергія рухомих повітряних мас. Запаси енергії вітру більш ніж в сто разів перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. Постійно і всюди на землі дмуть вітри – від легкого вітерцю, що несе бажану прохолоду в літню спеку, до могутніх ураганів, що приносять незліченну утрату і руйнування. Завжди неспокійний повітряний океан, на дні якого ми живемо. Вітри, що дмуть на просторах наший країни, могли б легко задовольнити всі її потреби в електроенергії! Чому ж такий рясний, доступний та і екологічно чисте джерело енергії так слабо використовується? В наші дні двигуни, що використовують вітер, покривають всього одну тисячну світових потреб в енергії.
Середньорічна швидкість вітру на висоті 20–30 м над поверхнею Землі повинна бути чималою, щоб потужність повітряного потоку, що проходить через належним чином орієнтований вертикальний перетин, досягала значення, прийнятного для перетворення. Вітроенергетична установка, розташована на майданчику, де середньорічна питома потужність повітряного потоку складає близько 500 Вт/м2 (швидкість повітряного потоку при цьому рівна 7 м/с), може перетворити в електроенергію близько 175 з цих 500 Вт/м2.
Енергія, що міститься в потоці рухомого повітря, пропорційна кубу швидкості вітру. Проте не вся енергія повітряного потоку може бути використана навіть за допомогою ідеального пристрою. Теоретично коефіцієнт корисного використання енергії повітряного потоку може бути рівний 59,3 %. На практиці, згідно з опублікованими даними, максимальний коефіцієнт корисного використання енергії вітру рівний приблизно 50 %, проте і цей показник досягається не при всіх швидкостях, а тільки при оптимальній швидкості, передбаченій проектом. Крім того, частина енергії повітряного потоку втрачається при перетворенні механічної енергії в електричну, яке здійснюється з ККД зазвичай 75–95 %. Враховуючи всі ці чинники, питома електрична потужність складає 30–40 % потужності повітряного потоку. Проте іноді вітер має швидкість, що виходить за межі розрахункових швидкостей.
Новітні дослідження направлені переважно на отримання електричної енергії з енергії вітру. Прагнення використання вітру як енергії привело до появи на світло безлічі агрегатів. Деякі з них досягають десятків метрів у висоту, і, як вважають, з часом вони могли б утворити справжню електричну мережу.
Споруджуються спеціальні станції переважно постійного струму. Вітряне колесо приводить в рух динамо-машину – генератор електричного струму, який одночасно заряджає паралельно сполучені акумулятори. Акумуляторна батарея автоматично підключається до генератора в той момент, коли напруга на його вихідних клемах стає більше, ніж на клемах батареї, і також автоматично відключається при протилежному співвідношенні.
Широкому застосуванню агрегатів для перетворення вітру в енергію в звичайних умовах поки перешкоджає їх висока собівартість. Навряд чи потрібно говорити, що за вітер платити не потрібно, проте машини, потрібні для того, щоб запрягти його в роботу, обходяться дуже дорого.
При використанні вітру виникає серйозна проблема: надлишок енергії в легковажну погоду і недолік її в періоди безвітря. Як же накопичувати і зберегти про запас енергію вітру? Простий спосіб полягає в тому, що вітряне колесо рухає насос, який накачує воду в розташований вище резервуар, а потім вода, стікаючи з нього, приводить в дію водяну турбіну і генератор постійного або змінного струму. Існують і інші способи і проекти: від звичайних, хоч і малопотужних акумуляторних батарей до розкручування гігантських маховиків або нагнітання стислого повітря в підземні печери і аж до виробництва водню як паливо. Особливо перспективним представляється останній спосіб. Електричний струм розкладає воду на кисень і водень. Водень можна зберігати в зрідженому вигляді і спалювати в топках теплових електростанцій у міру потреби.
Енергія річок.
Багато тисячоліть вірно служить людині енергія води. Запаси її на Землі колосальні. Недаремно деякі учені вважають, що нашу планету правильніше було б називати не Земля, а Вода – адже близько трьох чвертей поверхні планети покрито водою. Величезним акумулятором енергії служить Світовий океан, що поглинає велику її частину, що поступає від Сонця. Тут відбуваються приливи і відливи, виникають могутні океанські течії. Народжуються могутні річки, що несуть величезні маси води в моря і океани. Зрозуміло, що людство у пошуках енергії не могло пройти мимо таких гігантських її запасів. Раніше всього люди навчилися використовувати енергію річок.
Вода була першим джерелом енергії, і, ймовірно, першою машиною, в якій людина використовувала енергію води, була примітивна водяна турбіна. Понад 2000 років тому горці на Ближньому Сході вже користувалися водяним колесом у вигляді валу з лопатками. Суть пристрою зводилася до наступного. Потік води, відведений із струмка або річки, тисне на лопатки, передаючи їм свою кінетичну енергію. Лопатки приходять в рух, а оскільки вони жорстко скріпляють з валом, вал обертається. З ним у свою чергу скріпляє млинове жорно, яке разом з валом обертається по відношенню до нерухомого нижнього жорна. Саме так працювали перші “механізовані” млини для зерна. Але їх споруджували тільки в гірських районах, де є річки і струмки з великим перепадом і сильним натиском. На поволі поточних потоках водяні колеса з горизонтально розміщеними лопатками малоефективні.
У сучасній гідроелектростанції маса води з великою швидкістю спрямовується на лопатки турбін. Вода із-за дамби тече – через захисну сітку і регульований затвор – по сталевому трубопроводу до турбіни, над якою встановлений генератор. Механічна енергія води за допомогою турбіни передається генераторам і в них перетвориться в електричну. Після здійснення роботи вода стікає в річку через тунель, що поступово розширюється, втрачаючи при цьому свою швидкість.
Гідроелектростанції класифікуються по потужності на дрібних (зі встановленою електричною потужністю до 0,2 Мвт), малих (до 2 Мвт), середніх (до 20 Мвт) і великих (понад 20 Мвт). Другий критерій, по якому розділяються гідроелектростанції, – натиск. Розрізняють низьконапірні (натиск до 10 м), середнього натиску (до 100 м) і високонапірні (понад 100 м). У окремих випадках дамби високонапірних ГЕС досягають висоти 240 м. Такі дамби зосереджують перед турбінами водну енергію, накопичуючи воду і піднімаючи її рівень.
Турбіна – енергетично дуже вигідна машина, тому що вода легко і просто міняє поступальну ходу на обертальну. Той же принцип часто використовують і в машинах, які зовні зовсім не схожі на водяне колесо (якщо на лопатки впливає пара, то мова йде про паровій турбіні).
Переваги гідроелектростанцій очевидні – постійно поновлюваний самою природою запас енергії, простота експлуатації, відсутність забруднення навколишнього середовища. Проте споруда дамби крупної гідроелектростанції виявилася завданням куди складнішою, ніж споруда невеликої. Щоб привести в обертання могутні гідротурбіни, потрібно накопичити за дамбою величезний запас води. Для споруди дамби потрібно укласти таку кількість матеріалів, що об'єм гігантських єгипетських пірамід в порівнянні з ним покажеться нікчемним.
Але поки людям служить лише невелика частина гідроенергетичного потенціалу землі. Щорічно величезні потоки води, що утворилися від дощів і танення снігів, стікають в моря невикористаними. Якби вдалося затримати їх за допомогою дамб, людство отримало б додатково колосальну кількість енергії.
Енергія сонця.
Для стародавніх народів Сонце було богом.
Своєю життєдайною силою Сонце завжди викликало у людей відчуття поклоніння і страху. Народи, тісно пов'язані з природою, чекали від нього милостивих дарів – урожаю і достатку, гарної погоди і свіжого дощу або ж кари – негоди, бур, граду. Тому в народному мистецтві ми усюди бачимо зображення Сонця: над фасадами будинків, на вишивках, в різьбленні і т.п.
Майже всі джерела енергії, про які ми до цих пір говорили, так або інакше використовують енергію Сонця: вугілля, нафта, природний газ суть не що інше, як “законсервована” сонячна енергія. Вона поміщена в цьому паливі з незапам'ятних часів; під дією сонячного тепла і світла на Землі росли рослини, накопичували в собі енергію, а потім в результаті тривалих процесів перетворилися на паливо, що вживалося сьогодні. Сонце щороку дасть людству мільярди тонн зерна і деревини. Енергія річок і гірських водопадів також походить від Сонця, яке підтримує кругообіг води на Землі.
У всіх приведених прикладах сонячна енергія використовується побічно, через багато проміжних перетворень. Принадно було б виключити ці перетворення і знайти спосіб безпосередньо перетворювати теплове і світлове випромінювання Сонця, падаюче на Землю, в механічну або електричну енергію. Всього за три дні Сонце посилає на Землю стільки енергії, скільки її міститься у всіх розвіданих запасах викопних палив, а за 1 з – 170 млрд. Дж. Велику частину цієї енергії розсіює або поглинає атмосфера, особливо хмари, і лише третина її досягає земній поверхні. Вся енергія, що випускається Сонцем, більше тієї її частині, яку отримує Земля, в 5000000000 разів. Але навіть така “нікчемна” величина в 1600 разів більше енергії, яку дає решта всіх джерел, разом узяті. Сонячна енергія, падаюча на поверхню одного озера, еквівалентна потужності крупної електростанції.
Сьогодні для перетворення сонячного випромінювання в електричну енергію ми маємо в своєму розпорядженні дві можливості: використовувати сонячну енергію як джерело тепла для вироблення електроенергії традиційними способами (наприклад, за допомогою турбогенераторів) або ж безпосередньо перетворювати сонячну енергію в електричний струм в сонячних елементах. Сонячну енергію використовують також після її концентрації за допомогою дзеркал – для плавлення речовин, дистиляції води, нагріву, опалювання і т.д.
Оскільки енергія сонячного випромінювання розподілена за великою площею (іншими словами, має низьку щільність), будь-яка установка для прямого використання сонячної енергії повинна мати збираючий пристрій (колектор) з достатньою поверхнею.
Простий пристрій такого роду – це колектор, чорна плита, добре ізольована знизу. Вона прикрита склом або пластмасою, яка пропускає світло, але не пропускає інфрачервоне теплове випромінювання. У просторі між плитою і склом найчастіше розміщують чорні трубки, через які течуть вода, масло, ртуть, повітря, сірчистий ангідрид і т.п. Сонячне випромінювання, проникаючи через скло або пластмасу в колектор, поглинається чорними трубками і плитою і нагріває робочу речовину в трубках. Теплове випромінювання не може вийти з колектора, тому температура в нім значно вища (па 200–500°С), ніж температура навколишнього повітря. У цьому виявляється так званий парниковий ефект. Звичайні садові парники, по суті справи, є простими колекторами сонячного випромінювання. Але чим далі від тропіків, тим менш ефективний горизонтальний колектор, а повертати його услід за Сонцем дуже важко і дорого. Тому такі колектори, як правило, встановлюють під певним оптимальним кутом на південь.
Складнішим і дорожчим колектором є увігнуте дзеркало, яке зосереджує падаюче випромінювання в малому об'ємі біля певної геометричної крапки – фокусу. Відзеркалювальна поверхня дзеркала виконана з металізованої пластмаси або складена з багатьох малих плоских дзеркал, прикріплених до великої параболічної підстави. Завдяки спеціальним механізмам колектори такого типу постійно повернені до Сонця, це дозволяє збирати можливо більшу кількість сонячного випромінювання. Температура в робочому просторі дзеркальних колекторів досягає 3000°С і вище.
Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва енергії.
На думку фахівців, найпривабливішою ідеєю щодо перетворення сонячної енергії є використання фотоелектричного ефекту в напівпровідниках.
Але, для прикладу, електростанція на сонячних батареях поблизу екватора з добовим виробленням 500 МВт·ч (приблизно стільки енергії виробляє досить велика ГЕС). Ясно, що таке величезна кількість сонячних напівпровідникових елементів може. окупитися тільки тоді, коли їх виробництво буде дійсне дешево. Ефективність сонячних електростанцій в інших зонах Землі була б мала із-за нестійких атмосферних умов, щодо слабкої інтенсивності сонячної радіації, яку тут навіть в сонячні дні сильніше поглинає атмосфера, а також коливань, обумовлених чергуванням дня і ночі.
Проте сонячні фотоелементи вже сьогодні знаходять своє специфічне застосування. Вони виявилися практично незамінними джерелами електричного струму в ракетах, супутниках і автоматичних міжпланетних станціях, а на Землі – в першу чергу для живлення телефонних мереж в не електрифікованих районах або ж для малих споживачів струму (радіоапаратура, електричні бритви і запальнички і т.п.).