3. 2 парогенераторы (паровые котлы)

Графито-газовые реакторы были разработа ны в начальные годы развития ядерной энергетики в Великобритании, и некоторые из них эксплуатируются поныне. Трубки твэлов этих реакторов изготовлены из сплава магния, из-за чего их называются и реакторами типа магнокс. В качестве топ лива используется природный (необогащенный уран, в качестве теплоносителя – двуокись угле рода (СО₂). В этих реакторах также можно эффективно получать плутоний. Так как коррозия стального корпуса двуокисью углерода, а также риск возникновения радиоактивного излучения в этих реакторах оказались слишком большой, то оставшиеся еще в эксплуатации реакторы предусматривается отключить к 2010 году.

Реакторы-размножители отличаются от всех вышерассмотренных реакторов тем, что они основаны на быстрых нейтронах и в них в результате ядерных реакций возникает плутония больше, чем расходдуется в реакторе.


ВЕТРЯНЫЕ ТУРБИНЫ
Ветряная турбина (ветродвигатель) преобра­зовывает кинетическую энергию ветра в меха­ническую энергию вращения. На современных ветряных электростанциях находят применение, главным образом, два вида ветряных турбин:

• 
  крыльчатые турбины (с горизонтальной осью
  вращения),
  
• 
  карусельные турбины (с вертикальной осью
  вращения).
  

Крыльчатые турбины среди ветряных турбин являются преобладающими - более 99 % всех установленных в мире ветряных турбин относит­ся к этому типу. В настоящее время они выпуска­ются с номинальной мощностью от нескольких десятков ватт до нескольких мегаватт, а на вет­ряных электростанциях обычно устанавливают­ся турбины мощностью 0,1 ...б МW.

Номинальную мощность ветряных турбин выража­ют не в виде мощности на валу, как, например, в случае паровых, газовых или гидравлических тур­бин, а через номинальную мощность электрическо­го генератора, вращаемого турбиной.

Мощные (предназначенные для ветроэлект-ростанций) турбинные установки состоят из сле­дующих частей (см. рис. 2.10.1):

• 
  ротор (ветроколесо), который, в свою очередь,
  состоит из лопастей (крыльев), ступицы, вала
  и часто также из системы поворота лопастей
  относительно направления ветра;
  
• 
  гондола (головка) с подшипником вала, тор­
  мозным устройством и механизмом поворота;
  в гондоле находятся также редуктор (если он
  предусмотрен) и электрический генератор;
  
• 
  башня (опора), которая чаще всего выполня­
  ется в виде трубы из стали или железобетона;
  внутри башни предусматривается лестница;
  при малой мощности турбин (мощностью при­
  близительно до 100 кW) могут использоваться
  и решетчатые опоры.
  

Ротор имеет обычно три лопасти, но извест­ны также двух- и (весьма редко) однолопастные турбины. Линейная скорость движения конца лопасти у современных мощных ветряных тур­бин в 6...8 раз превышает скорость ветра, из-за чего крыльчатые турбины называются быстро­ходными. Номинальная частота вращения турби­ны находится обычно в пределах от 20 r/min до 40 r/min.

1 – ротор

2 – гондола

3 – башня
А – площадь, охватываемая ротором, V₁ – скорость ветра перед ротором

V₂ – скорость ветра за ротором.

Если скорость ветра перед ротором (без учета влияния ротора) равна v1, то мощность ветра перед ротором равна

Р₁ = 1/2mV₁² /t = ½ γAV₁³

Р_] - мощность набегающего воздушного потока W

т = γ AV₁ t масса воздуха, действующая на площадь ротора кg

γ плотность воздуха (приблизительно 1,2кg/m³)

А площадь, охватываемая вращающимся ротором m²

V₁ скорость воздуха m/s

t время s

Из этой формулы следует, что мощность воз­душного потока перед ротором пропорциональ- на третьей степени скорости ветра. С умень­шением скорости ветра эта величина быстро уменьшается, и ниже некоторой малой скорости применение ветряных турбин становится неце­лесообразным. Обычно они и устанавливают­ся в местах, где среднегодовая скорость ветра составляет, как минимум, 5 m/s (см. раздел 2.7). Большинство выпускаемых в настоящее время ветряных турбин рассчитано в номинальном режиме на скорость ветра от 12 m/s до 16 m/s, причем, турбина включается в работу при скоро­сти ветра 2...4 m/s и отключается при скорости 25...35 m/s.

Если скорость ветра за ротором равна V₂ и если мощность, отбираемая от движущегося воздуха, полностью преобразуется в мощность вращения ротора, то эта величина определяется теорети­ческой формулой
Р_г = ½ γ ( V₁² – V₂²) ∙ ½ (V₁ + V₂) A

Р₂ мощность, передаваемая ротору W

V₂ скорость воздуха за ротором m/s

Если ввести сокращение то, после математических преобразований, можем выразить теоретический коэффициент использования энергии ветра с_teor формулой

C _teor = P₂ /P₁ = ½ ( 1 + x) (1 – x²)

Отношение Р_{2 /} Р₁ в данном случае не может называть­ся коэффициентом полезного действия, так как часть воздушного потока мощностью Р₁ неизбежно проходит мимо ротора и не может преобразоваться в мощность вращения.

Легко доказать, что коэффициент использова­ния имеет максимум при

х=1 /3,

а именно

Сt_еог= 16/27 ≈ 0,593.

Наибольший теоретически возможный коэф­фициент использования энергии ветра равен, следовательно, приблизительно 59 %. Факти­чески же он находится обычно в пределах от 40 % до 50 %.

Понятие коэффициента использования энергии ветра ввел в ветроэнергетику в 1919 году директор Аэро­динамического института Геттингена ( Германия) Альберт Бец , 1885-1968). Он же вывел и формулу теоретически возможного максимального значения этой величины, вследс­твие чего эта формула часто называется формулой Беца.

Чтобы ротор вращался с постоянной (или при­близительно постоянной) скоростью, необходи­мо регулировать силу, действующую на лопасти, в зависимости от скорости ветра. У относительно малых турбин (мощностью приблизительно до 500 кW) лопасти могут иметь жесткое крепле­ние к ступице, но их профиль выбран таким, что в случае превышения скоростью ветра опреде­ленного значения происходит аэродинамическое опрокидывание, и сила, действующая на лопасти, уменьшается. Такое саморегулирование очень просто, но может вызывать недопустимо боль­шие колебания мощности и напряжения соеди­ненного с турбиной электрогенератора; поэтому этот способ применяется редко. В случае круп­ных турбин для регулирования используются

• 
  метод активного изменения условий возник­
  новения опрокидывания путем некоторого
  поворота лопастей в направлении ветра,
  

метод изменения угла атаки набегающего вет­
ра, путем поворота лопасти против ветра.

Система поворота лопастей находится в ступи­це ротора. Поворот лопастей, а также изменение ориентации гондолы в зависимости от направле­ния ветра происходит автоматически при помо­щи соответствующих установочных приводов.

Мощность ветряной турбины, как уже сказа­но, пропорционально площади ротора. Размеры мощных ветряных турбин поэтому весьма вели­ки.

Номинальная мощность МW	Размах лопастей m	Высота оси вращения m
0,5... 0,6	~ 40	40... 65
1,5 ... 2	~ 70	65... 115
4,5 ...6	112 ... 126	120 ...130

http://www.tuuleenergia.ee/about/statistika/

Чтобы добиться достаточной механической прочности лопастей без чрезмерного увеличе­ния их веса, их изготовляют из синтетических материалов, армированных стекловолокном (в последнее время находят применение и угле­родные волокна), с использованием технологии литья для точного формирования лопастей.

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ.

Тепловой насос представляет собой уст­ройство для передачи тепла из более холодной наружной среды в отапливаемое помещение. В нем, как и в холодильниках, используются хладагенты с низкой температурой кипения (от -20 °С до +5 °С), температуру которых повы­шают путем сжатия. На рис. 2.15.5 представлена принципиальная схема теплового насоса, кото­рый берет тепло от наружного воздуха.
Рис. 2.15.5. Принципиальная схема воздушного теплового насоса.

1 отапливаемое помещение, 2 наружный воздух (например, +6 °С), 3 вентилятор, 4 испаритель, 5 охлажденный наружный воздух (например, до +2 °С), б жидкий хладагент (например, О °С),

7. 
   испарившийся хладагент (с той же температурой, что и перед испарителем, например, О "С),
   
8. 
   компрессор, 9 сжатый горячий пар (например, +60 °С), 10 конденсатор, 11 сосуд хладагента,
   12 жидкий охлаждившийся хладагент (например, +40 °С), 13 дроссельный вентиль (расширитель),
   

14 циркуляционный насос центрального отопления, 15 охлажденная вода (например, +35 °С),

16 нагревшаяся в конденсаторе вода (например, +50 °С), 17 батарея центрального отопления,

18 воздух, циркулирующий в отапливаемом помещении. W₁ энергия, потребляемая компрессором,

W₂, тепло, отдаваемое в отапливаемое помещение

Вместо наружного воздуха, тепло можно получить и из водоемов, из колодцев и из почвы. В слу­чае использования почвы, в ней прокладывают горизонтальные или вертикальные трубы, через которые протекает промежуточный теплоно­ситель (вода или, если температура может сни­зиться ниже нуля, какая-либо незамерзающая жидкость).

Эффективность теплового насоса характери­зуется отношением количества тепла W₂ , отда­ваемого в отапливаемое помещение, и энергии W₁ , потребляемой в это же время компрессором. Это соотношение, называемое коэффициентом трансформации или коэффициентом преобра­зования тепла, обычно находится в пределах от 2,5 до 3. Мощность компрессора составля­ет обычно 2...20 kW; в случае индивидуальных домов достаточно иметь компрессор мощностью от 4 kW до 8 kW.

Выпускаются и обратимые тепловые насо­сы, которые в летнее время могут использо­ваться для охлаждения помещений (в качестве кондиционеров).

Принципиальную возможность тепловых насосов дока­зал еще в 1852 году Уильям Томсон, но их относительно широкое практическое примене­ние началось только в 1950-е годы, причем, в качестве хладагентов в них сначала использовались фреоны. Когда в 1990-е годы появились менее опасные для окру­жающей среды хладагенты, а для эффективного автома тического регулирования стали применять надежные, легко настраиваемые микропроцессорные устройства, обеспечивающие оптимальные режимы работы, то теп­ловые насосы стали экономически выгодными в качест­ве основных или дополнительных установок отопления жилых домов. Важным считается и то, что применение тепловых насосов приводит к уменьшению сжигания топлива и выбросов двуокиси углерода и других продук­тов сгорания в атмосферу. В Эстонии в конце 2006 года было установлено около 2000 различных тепловых насо­сов, и в каждом году прибавляется приблизительно 1000 таких устройств.