Глава 7
ПОИСКИ НОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
В предыдущих главах мы рассказали, какими быстрыми темпами растет потребление топлива и электрической энергии. Непрерывно возрастает не только общий объем расхода энергетических ресурсов, но и рост потребления их на душу населения. Другими словами, потребление энергии обгоняет рост населения.
Это вполне объяснимо, так как растет энерговооруженность труда, благосостояние народа, комфортабельность жизни. Многие ученые и экономисты капиталистических стран бьют тревогу в связи с уменьшением запасов минерального топлива. Особенную тревогу вызывает быстрое сокращение запасов нефти и газа.
Возникает вопрос: какими путями и средствами предотвратить надвигающуюся опасность энергетического кризиса?
Прогнозные оценки по вовлечению урана в топливно-энергетический баланс значительно улучшают его, но не предотвращают топливный голод в будущем.
Поэтому не случайно во многих промышленно развитых странах, и, конечно, в Советском Союзе проводятся интенсивные поиски новых энергетических источников.
Исследования и научные работы ведутся в этой области в двух главных направлениях.
В первую очередь взоры ученых обращены на использование вечных или возобновляемых источников энергии — солнца, ветра, глубинного тепла земли.
Отдельным направлением являются поиски использования энергии, образующейся при синтезе тяжелых ядер водорода — дейтерия и трития. Этот процесс носит название термоядерного. В отличие от атомной энергии, где происходит расщепление атомов урана и плутония, в термоядерном процессе происходит слияние тяжелых атомных ядер водорода. При слиянии этих ядер водорода высвобождается значительное количество энергии, намного большее по сравнению с атомной энергией. Термоядерный процесс был открыт и осуществлен в известной водородной бомбе.
Однако в водородной бомбе процесс протекает мгновенно и, по сути, неуправляем.
При использовании термоядерной энергии для получения мирной электрической энергии необходимо превратить этот процесс в управляемый, не с мгновенным, а постепенным выделением энергии.
Ученые Советского Союза и ряда других стран теоретически и на практике доказали принципиальную возможность укрощения термоядерного процесса, несмотря на то, что он протекает при температурах до 100 млн. градусов.
Наибольшие результаты в решении этой проблемы достигнуты на советской установке Токамак. Эту установку можно сравнить с трансформатором, у которого вторичная обмотка выполнена в виде замкнутого (полого) кольца — тора. Заполнение кольцевой камеры тяжелыми ядрами водорода — дейтерием осуществляется при глубоком вакууме. При пропускании тока по первичной обмотке в камере происходит пробой в газе, газ ионизируется и нагревается до высокой температуры. В этом процессе много научных и технических сложностей. Одной из них является проблема создания устройств, способных выдерживать температуру до многих миллионов градусов. В Токамаке магнитное поле удерживает плазму от соприкосновения со стенками, предохраняя их от температурного разрушения. В 1975 г. в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова была введена в действие крупнейшая установка Токамак-10. На этой установке планируется получить плазму с температурой около 20 млн. градусов Цельсия. Ученые ставят задачу получить на установках Токамак ответ о возможности создания первых демонстрационных реакторов, в которых должна быть получена настоящая термоядерная плазма
Одновременно с этим направлением ведутся исследования в области создания установок, в которых термоядерный процесс организуется с помощью импульсных систем. Источниками энергии в этом случав могут быть, например, известные лазеры или электронные пучки, которые также дают возможность получать сверхсильные магнитные поля. С помощью энергии лазеров осуществляется быстрый нагрев небольших мишеней до термоядерной температуры. Достижения советских ученых высоко оценены во всех странах мира. По образцу Токамака и с тем же названием создаются установки в США, Японии и других странах. Советские ученые предусматривают дальнейшее расширение и углубление научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ.
Главная же задача в успешном решении проблемы освоения термоядерного процесса заключается в увеличении времени удержания плазмы.
Эту задачу помогут решить сильные магниты с использованием сверхпроводимости.
Сверхпроводящий магнит для термоядерных установок типа Токамак будет создан в ближайшие годы.
Третьей важной задачей является увеличение температуры плазмы, точнее, доведение ее до 80—100 млн. градусов.
Конечно, предстоит решить и еще ряд проблем научно-поискового характера и осуществить многие инженерные и конструкторские разработки
Ученые и исследователи не могут пока назвать примерного срока практического решения проблемы термоядерного синтеза. Однако ясно одно — человечеству необходимо освоение этого процесса, который открывает неограниченные возможности покрытия возрастающих потребностей энергетических ресурсов.
В США в программе работ в области управляемого
термоядерного синтеза намечается создание к концу XX в. термоядерной электростанции. Однако решение этой сложной задачи связано с созданием испытательного реактора и экспериментальной электростанции. Почему так настойчиво работают над проблемой использования термоядерного процесса для получения электроэнергии?
Дело в том, что, как мы уже говорили, при слиянии тяжелых ядер водорода энергии выделяется во много раз больше по сравнению с расщеплением атома. Кроме этого, запасы тяжелых ядер водорода в Мировом океане практически неограниченны. Поэтому успешное решение этой проблемы открывает огромные перспективы покрытия потребности человечества в энергетических ресурсах. Отсюда следует вывод о том, что раньше или позднее усилиями ученых всего мира эта проблема, по-видимому, будет решена.
Использование солнечной энергии представляет большой интерес ввиду ее огромного количества и влияния на жизнь нашей планеты. От солнца на землю направляется тепловой поток, равный астрономической цифре — 1,57Х1018 кВт-ч в год. Непосредственно до суши земли доходит примерно одна пятая часть этой энергии. Однако эта пятая часть в тысячу раз превышает современное производство электроэнергии во всем мире.
Для сравнения можно привести такие данные: в 1970 г. было добыто во всем мире 6,0 млрд. т у. т., или 4Х1018 ккал в год. Это количество тепловой энергии в 10 тысяч раз меньше тепла, получаемого землей от солнца.
Если взять только десятую часть суши земли и использовать энергию солнца с КПД в 10%, то можно получить энергию, равную 1018 ккал, что в 25 раз больше энергии, потребляемой человечеством в данное время.
К положительным качествам солнечной энергии как энергоисточника следует отнести исключительную «чистоту», обусловленную отсутствием каких-либо вредных выбросов при ее использовании. Вместе с тем этому энергоисточнику присущи два принципиальных недостатка: малая плотность потока солнечной радиации, не превышающей у земной поверхности 1 кВт на квадратный метр, и нерегулируемый режим прихода солнечной радиации к земной поверхности, зависящий от времени года и суток, а также погодных условий.
В отечественной и мировой практике есть несколько направлений по изучению использования солнечной энергии.
Первое из них связано с преобразованием солнечного излучения в тепловую энергию с целью ее использования для отопления зданий, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения, сушки различных материалов и сельскохозяйственных продуктов, опреснения минерализованной воды и т. п.
Основой различных установок и систем преобразования солнечной радиации в тепло при температурном уровне до 70—80°С является плоский солнечный коллектор, представляющий собой металлическую раму с трубками (каналами) или плоскую коробчатую конструкцию, через которую организован поток теплоносителя (вода, воздух, специальные жидкости и т. п.). Эта пластина зачернена и заключена в теплоизоляционный корпус, а со стороны падения солнечных лучей имеет один или несколько слоев прозрачной изоляции. При нагреве воды до температуры 60—80°С производительность такого устройства площадью 1 м2 составляет до 80 л в день при КПД около 50%. Плоские солнечные коллекторы устанавливаются, как правило, неподвижно, с наклоном, зависящим от рельефа местности, и ориентируются на юг.
В десятой пятилетке запланировано сооружение около 20 экспериментальных объектов с системами отопления, охлаждения и горячего водоснабжения. После опытной проверки наиболее удачные конструкции будут приняты в качестве типовых проектов. Ряд установок для горячего водоснабжения, сушки сельскохозяйственных продуктов и материалов уже успешно используется в южных районах нашей страны. В 1977 г. в Бухарской области Узбекской ССР вступил в строй специализированный завод по производству различных видов солнечных установок.
Расчеты и опыты применения простейших солнечных опреснителей показывают, что опреснители для пастбищного водоснабжения экономически выгодны по сравнению с существующими методами (доставка воды автомашинами, строительство водопроводов) при удалении объекта от пресного водоисточника более чем на 35—40 км.
Внедрение солнечных установок по производству электроэнергии зависит от размера затрат на их создание и величины коэффициента полезного действия.
Экономичность солнечных установок возрастает при росте температуры. Но для этого требуется использование специальных устройств, которые концентрируют солнечное излучение — параболические зеркала, линзы Френеля и т. п. Примером такого устройства могут служить солнечные кухни для бытового использования, выпуск которых в СССР начат в 1977 г. Кухня представляет собой параболический отражатель диаметром 1,2 из электрополированного алюминия, укрепленный на поворотном штативе. В фокусе отражателя устанавливается сосуд для кипячения воды или приготовления пищи.
Солнечные установки с высокоточными параболическими зеркалами, в фокусе которых можно нагревать облучаемые объекты до 3500°С, требуют автоматического привода с высокой точностью слежения.
Расчеты показывают, что использование в южных районах СССР солнечных установок для получения тепловой энергии может обеспечить экономию 15—20 млн. т. в условном исчислении топлива в год. Следует отметить, что и за рубежом ведутся большие исследования и разработки по применению солнечных установок для получения тепла. Так, например, в США сооружено около 2000 систем солнечного отопления и горячего водоснабжения для жилых и общественных зданий. Все эти системы основаны на применении плоских солнечных коллекторов. В течение отопительного периода системы солнечного отопления, оборудованные газовыми или электрическими дублерами, экономят от 30 до 70% топлива. Эти системы, по-видимому, подтвердили свою конкурентоспособность, так как в США планируют перевести к 1980 г. на солнечное отопление 500 тыс. домов.
Вторым направлением использования солнечной энергии является преобразование ее в электрическую, энергию. Предметом исследования здесь являются термодинамический, фотоэлектрический, термоэлектрический и термоэмиссионный методы преобразования.
Наибольшее применение, главным образом в космической технике, получил фотоэлектрический метод преобразования. КПД самых распространенных кремниевых фотопреобразователей составляет 10—12%. В последнее время разработаны фотопреобразователи более сложной структуры на основе галлия, мышьяка и сурьмы, КПД которых достигает 20—22%.
Получен положительный опыт использования фотоэлектрических установок и в наземных условиях для водоподъемных насосов в пустынных районах, питания морских и речных навигационных знаков, средств катодной защиты трубопроводов и др. В опытной эксплуатации находится более 50 фотоэлектрических установок мощностью от 20 до 500 Вт.
Несмотря на высокую стоимость фотопреобразователей, их применение в качестве источников питания автономных маломощных потребителей в труднодоступных районах является экономически оправданным.
Разработки по созданию солнечных термоэлектрических генераторов и термоэмиссионных преобразователей находятся в стадии опытных образцов и менее подготовлены к практическому использованию.
Перспективной задачей гелиоэнергетики является создание крупных солнечных энергоустановок и станций. При решении этой проблемы наиболее приемлемыми следует признать термодинамические и фотоэлектрические методы преобразования солнечной энергии. Предстоит преодолеть немалые технические трудности. Главные из них состоят в значительном снижении стоимости установленного киловатта солнечных электростанций и в обеспечении отпуска преобразованной энергии по заданному графику нагрузки.
Более 20 лет назад в ЭНИНе им. Кржижановского была выдвинута идея создания солнечной электростанции так называемого башенного типа, согласно которой расположенные на земле плоские зеркала — гелиостаты фокусируют отраженные лучи на приемнике энергии (паровом котле, установленном на башне). В настоящее время такое схемное решение принято за основу в разрабатываемых в США экспериментальных проектах солнечных станций, основанных на термодинамическом методе преобразования. Реальные возможности промышленного использования энергии солнца многие ученые видят в разработке технологий, которые бы копировали фотосинтез, т.е. процесс, происходящий в растениях, в ходе которого углекислый газ под действием света превращается в органические соединения. Солнечную энергию уже сегодня следует рассматривать как дополнительный источник к основным топливным, гидравлическим и ядерным энергоресурсам.
Ветроэнергетика как источник энергии пока не играет заметной роли. Вместе с тем потенциальные запасы энергии ветра в СССР огромны. На основании многолетних замеров установлено, что в 65 районах страны скорости ветра превышают 6 м/с. Следовательно, в этих районах использование энергии ветра экономически оправданно. Учет общего кадастра ветровой энергии в СССР показывает, что его потенциальные возможности равны примерно 11 млрд. кВт, что в 55 раз больше мощности электростанций страны на начало 1976 г. Потенциальная энергия ветра равноценна производству электрической энергии в размере 1,8χ1013 кВт ч в год, что почти в 20 раз превышает ее производство в СССР за 1977 г.
Использование энергии ветра встречает большие трудности ввиду большой неравномерности воздушных потоков, исключающих возможность регулярного получения энергии. Плотность воздуха в 800 раз меньше воды, поэтому требуется соответственно больше площадей для лопастей ветроагрегата. Затруднения представляет и необходимость сооружения высоких башен, на которых монтируются ветровые колеса, что технически и экономически усложняет и строительство.
Все ветроэнергетические установки можно разделить на два класса: ветромеханические и ветроэлектрические.
Ветромеханические двигатели находят широкое применение в устройствах по подъему воды в засушливых районах, на пастбищах, в осушении заболоченных или сильно увлажненных мест.
Ветроэнергетические агрегаты с успехом используются и для таких специфических целей, как защита трубопроводов от электрокоррозии (от блуждающих токов). Ветроэнергетика в Советском Союзе начала развиваться с двадцатых годов, когда был создан отдел ветродвигателей ЦАГИ.
В 1930 г. был разработан проект, а в следующем году в Крыму сооружена первая в мире ветроэлектрическая установка мощностью 100 кВт. Эта установка имела ветроколесо диаметром 30 м. Электрический ток от ВЭС поступал в электросеть Севастопольской энергосистемы. Во время Великой Отечественной войны установка была разрушена.
На основе опыта проектирования и эксплуатации первой ВЭС была запроектирована ветроэлектрическая станция мощностью 1000 кВт, однако война помешала осуществлению этого проекта.
В настоящее время в нашей стране ведутся интенсивные работы по созданию ветроэнергетических установок разного назначения.
Современные ветроэлектрические агрегаты, их кинематика и комплектующие узлы находятся на высоком техническом уровне. Так, например, ветроколеса оснащены автоматическими устройствами ориентации в зависимости от направления и скорости ветра.
Генераторы снабжены тиристорными устройствами или постоянными магнитами для самовозбуждения, рассчитаны на высокие обороты (через редукторы) в целях сокращения веса и габаритов.
Для подъема воды с разных уровней (до 50 м) ветроагрегаты оснащаются высокопроизводительными насосными установками (ленточного, инерционного и пневматического типа).
В СССР разработаны и изготавливаются серийно или в опытном порядке более десяти типов ветродвигателей.
Ветромеханический агрегат «Чайка» предназначен для подъема воды с глубины до 30 м. Он снабжен поршневым насосом. Ветровое колесо этого агрегата имеет 12 лопастей диаметром 3 м, хвостовая часть обеспечивает поворот колеса в зависимости от направления ветра.
Производительность агрегата «Чайка» при скорости ветра 4 м/с и высоте подъема 30 м составляет 0,6 м3/ч воды. При увеличении скорости ветра в 2 раза (8 м/с), при той же высоте подъема производительность увеличивается более чем в 3 раза и достигает 2 м3/ч воды.
Наиболее совершенными ветроэлектрическими установками являются установки типа УВЭУ, «Беркут» и «Ветерок».
Ветроагрегат УВЭУ имеет диаметр двухлопастного ветроколеса до 6 м и высоту башни до 9 м. Для этого ветроагрегата разработан специальный генератор закрытого исполнения с естественным воздушным охлаждением, скоростью вращения 1500 об/мин. Он соединен с валом ветроколеса редуктором, обеспечивающим увеличение числа оборотов. Этот ветроэлектрический агрегат работает при скорости ветра от 4 м/с и выше. К агрегату придается электронасос и кабель, связывающий его с генератором. Производительность ветроэлектрического агрегата УВЭУ при подъеме воды с глубины 25 м и скорости ветра 8 м/с составляет 4,1 м3/ч.
Из краткого изложения проблемы использования энергии ветра можно сделать несколько выводов.
Расчетами и практикой доказана экономическая целесообразность и техническая возможность использования вечновозобновляемой энергии ветра. В связи с этим в ближайшие годы будут разработаны проекты ветросиловых агрегатов мощностью 100—200 кВт. Учитывая непостоянство этого источника энергии, при создании ветросиловых установок для подъема воды будут предусмотрены резервные емкости.
Эти ветросиловые установки для производства электроэнергии будут там, где это возможно, связаны с электросетью.
