Страница:
В 1783 году Корт получил патент на изобретенный им способ проката фасонного железа с помощью особых вальцов. Из пудлинговой печи крица поступала под молот, здесь она проковывалась и получала первоначальную форму, а затем пропускалась через вальцы. Этот способ потом стал очень распространенным.
Однако лишь в XIX столетии техника проката была поставлена на должную высоту, что во многом было связано с интенсивным строительством железных дорог. Тогда были изобретены прокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом и для многих других операций.
Устройство прокатного стана в XIX веке было несложным. Вращающиеся в противоположные стороны валки захватывали добела раскаленную металлическую полосу и, сжимаясь большей или меньшей силой, проводили ее между своими поверхностями. Таким образом, металл изделия подвергался сильному обжатию при высокой температуре и заготовка приобретала необходимую форму. При этом, например, железо получало свойства, которые не имело от природы. Отдельные зерна металла, которые до прокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатия вытягивались и образовывали длинные волокна. Мягкое и ломкое железо становилось после этого упругим и прочным.
К концу столетия техника проката настолько усовершенствовалась, что этим способом стали получать не только сплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 году братья Меннесманы изобрели способ прокатки бесшовных железных труб. До этого трубы приходилось изготовлять из железного листа, – их сгибали и сваривали. Это было и долго, и дорого. На стане Меннесманов круглую болванку пропускали между двумя косо друг к другу поставленными валками, действовавшими на нее двояким образом. Во-первых, вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя начинала вращаться. Во-вторых, из-за формы валков точки средней их поверхности вращались быстрее крайних. Поэтому, из-за косого расположения валков заготовка как бы ввинчивалась в пространство между ними. Если бы болванка была твердой, она бы не смогла пройти. Но так как ее предварительно сильно разогревали до белого каления, металл заготовки начинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне проходило его разрыхление – возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длине заготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку), благодаря чему внутренней полости предавалось правильное круглое сечение. В результате выходила толстостенная труба.
Чтобы уменьшить толщину стенок, трубу пропускали через второй так называемый пилигримный прокатный стан. Он имел два валка переменного профиля. При прокатке трубы расстояние между валками сначала постепенно уменьшалось, а затем делалось больше диаметра трубы.
Каково же устройство современных прокатных станов? Слиток обычно проходит через несколько прокатных станов. Первый из них – блуминг или слябинг. Это самые мощные прокатные станы. Их называют обжимными, потому что их назначение – обжать слиток, превратить его в длинный брус (блум) или пластину (сляб), из которых потом на других станах будут изготовлены те или иные изделия.
Блуминги и слябинги – исполинские машины. Производительность современных блумингов и слябингов – порядка 6 миллионов тонн слитков в год, а масса слитков – от 1 до 18 тонн.
Перед обжимом слитки необходимо хорошо прогреть. Их выдерживают от четырех до шести часов в нагревательных колодцах при 1100—1300 градусов Цельсия. Затем слитки краном вынимают и кладут на электрическую тележку – электрокар, который и подает их к блумингу или слябингу.
У блуминга – два огромных валка. Верхний может подниматься и опускаться, уменьшая или увеличивая просвет между собой и нижним валком.
Раскаленный слиток, пройдя через валки, попадает на рольганг – транспортер из вращающихся роликов. Оператор непрерывно меняет направление вращения валков блуминга и роликов рольганга. Поэтому слиток движется через валки то вперед, то назад, и каждый раз оператор все больше уменьшает зазор между валками, все сильнее обжимая слиток. Через каждые 5-6 проходов специальный механизм – кантователь переворачивает слиток на 90 градусов, чтобы обработать его со всех сторон. В конце концов, получается длинный брус, который по рольгангу направляется к ножницам. Здесь брус делят на куски – блумы.
Так же происходит прокатка и на слябинге, с той лишь разницей, что у слябинга 4 валка – 2 горизонтальных и 2 вертикальных, которые обрабатывают слиток сразу со всех сторон. Затем полученную длинную пластину режут на плоские заготовки – слябы.
Блуминги и слябинги используются только на тех заводах, где разливка стали производится старым способом – в изложницы. Там, где работают установки непрерывной разливки стали (УНРС), получают уже готовые блумы или слябы.
Готовые блумы и слябы идут в другие прокатные цехи, где на специальных прокатных станах из них делают, как говорят металлурги, профили, или профильный металл, то есть заготовки определенной толщины, формы, профиля.
Листовые станы, прокатывающие слябы в лист, имеют гладкие валки. На таких валках нельзя прокатать рельс или другое изделие сложного профиля. В валках, например, рельсобалочных станов делаются вырезы той формы, какая необходима для получения изделия. В каждом валке вырезается как бы половина профиля будущего изделия. Когда валки сближаются друг с другом, получается, как говорят металлурги, ручей, или калибр. На каждой паре валков таких калибров несколько. Первый имеет форму, только отдаленно похожую на форму изделия, следующие все больше приближаются к ней, и, наконец, последний калибр в точности соответствует тем размерам и форме изделия, какие надо получить. Сталь неподатлива, и ее приходится деформировать постепенно, пропуская через все калибры по очереди. Именно поэтому большинство станов имеет не одну пару валков, а несколько. Станины с валками (их называют клети) устанавливают параллельно либо в ряд, либо в шахматном порядке. Раскаленная заготовка мчится по рольгангам из клети в клеть, да еще в каждой клети движется то вперед, то назад, проходя через все калибры.
Сейчас все большее распространение получают высокопроизводительные станы непрерывной прокатки. Здесь клети стоят последовательно одна за другой. Миновав одну клеть, заготовка попадает во вторую, в третью, в четвертую и т д. После каждого обжатия заготовка вытягивается, и каждая последующая клеть должна за тот же промежуток времени пропустить через себя заготовку все большей длины. Некоторые непрерывные станы прокатывают металл со скоростью 80 метров в секунду (290 километров в час), а в год они обрабатывают несколько миллионов тонн. Например, производительность листового широкополосового непрерывного стана «2000», работающего на Новолипецком металлургическом заводе, достигает 6 миллионов тонн.
В СССР во Всесоюзном научно-исследовательском институте металлургического машиностроения были созданы принципиально новые станы литейно-прокатные. У них процессы непрерывного литья совмещены в единый поток с непрерывной прокаткой. Сегодня десятки таких станов работают в нашей стране для прокатки стальной, алюминиевой и медной проволоки.
Потребность в трубах для транспортировки нефти и природного газа на дальние расстояния вызвала необходимость создать трубные станы. Диаметр нефтяных и газовых труб увеличился. Первые трубопроводы были диаметром 0,2 метра, затем стали выпускать трубы больших диаметров – вплоть до 1,4 метра.
Применяются две принципиально различные технологии производства труб. Первый способ: заготовку нагревают до 1200—1300 градусов Цельсия, а затем на специальном стане в ней проделывают отверстие (ее прошивают) – получается короткая труба (гильза) с толстыми стенками. Потом гильзу раскатывают в длинную трубу. Так получают бесшовные трубы. Второй способ: стальной лист или ленту сворачивают в трубу и сваривают по прямой линии или по спирали.
Большой производительностью обладают непрерывные агрегаты шовно-стыковой сварки труб. Это комплекс из десятков машин и механизмов, работающих в одной технологической линии. Здесь все автоматизировано: на долю оператора, управляющего комплексом, остается только нажимать кнопки на пульте управления. Начинается процесс с нагрева непрерывной стальной ленты. Затем машины сворачивают ее в трубу, сваривают по шву, вытягивают в длину, уменьшают в диаметре, калибруют, разрезают на части, нарезают резьбу. 500 метров труб ежеминутно – такова производительность комплекса.
В последние годы появилось новое направление: на прокатных станах изготавливают не заготовки, а сразу готовые детали машин. На таких станах прокатывают автомобильные и тракторные полуоси, шпиндели текстильных веретен, детали тракторов, электродвигателей, буровых машин. Здесь прокатка вытеснила трудоемкие операции: ковку, штамповку, прессование и механическую обработку на различных металлорежущих станках – токарных, фрезерных, строгальных, сверлильных и др.
К этому же направлению относятся и получившие большое распространение профилегибочные станы, изготовляющие гнутые профили, и станы, прокатывающие фасонные профили высокой точности. Первые станы выгибают изделия сложной формы из стального листа, вторые – прокатывают сложные изделия с очень точными размерами. И в том и в другом случае изделия не нуждаются в дальнейшей обработке на станках. Их режут на части нужной длины и используют в машинах, механизмах и строительных конструкциях.
Солнечные электростанции
Ветроэлектростанции
Однако лишь в XIX столетии техника проката была поставлена на должную высоту, что во многом было связано с интенсивным строительством железных дорог. Тогда были изобретены прокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом и для многих других операций.
Устройство прокатного стана в XIX веке было несложным. Вращающиеся в противоположные стороны валки захватывали добела раскаленную металлическую полосу и, сжимаясь большей или меньшей силой, проводили ее между своими поверхностями. Таким образом, металл изделия подвергался сильному обжатию при высокой температуре и заготовка приобретала необходимую форму. При этом, например, железо получало свойства, которые не имело от природы. Отдельные зерна металла, которые до прокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатия вытягивались и образовывали длинные волокна. Мягкое и ломкое железо становилось после этого упругим и прочным.
К концу столетия техника проката настолько усовершенствовалась, что этим способом стали получать не только сплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 году братья Меннесманы изобрели способ прокатки бесшовных железных труб. До этого трубы приходилось изготовлять из железного листа, – их сгибали и сваривали. Это было и долго, и дорого. На стане Меннесманов круглую болванку пропускали между двумя косо друг к другу поставленными валками, действовавшими на нее двояким образом. Во-первых, вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя начинала вращаться. Во-вторых, из-за формы валков точки средней их поверхности вращались быстрее крайних. Поэтому, из-за косого расположения валков заготовка как бы ввинчивалась в пространство между ними. Если бы болванка была твердой, она бы не смогла пройти. Но так как ее предварительно сильно разогревали до белого каления, металл заготовки начинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне проходило его разрыхление – возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длине заготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку), благодаря чему внутренней полости предавалось правильное круглое сечение. В результате выходила толстостенная труба.
Чтобы уменьшить толщину стенок, трубу пропускали через второй так называемый пилигримный прокатный стан. Он имел два валка переменного профиля. При прокатке трубы расстояние между валками сначала постепенно уменьшалось, а затем делалось больше диаметра трубы.
Каково же устройство современных прокатных станов? Слиток обычно проходит через несколько прокатных станов. Первый из них – блуминг или слябинг. Это самые мощные прокатные станы. Их называют обжимными, потому что их назначение – обжать слиток, превратить его в длинный брус (блум) или пластину (сляб), из которых потом на других станах будут изготовлены те или иные изделия.
Блуминги и слябинги – исполинские машины. Производительность современных блумингов и слябингов – порядка 6 миллионов тонн слитков в год, а масса слитков – от 1 до 18 тонн.
Перед обжимом слитки необходимо хорошо прогреть. Их выдерживают от четырех до шести часов в нагревательных колодцах при 1100—1300 градусов Цельсия. Затем слитки краном вынимают и кладут на электрическую тележку – электрокар, который и подает их к блумингу или слябингу.
У блуминга – два огромных валка. Верхний может подниматься и опускаться, уменьшая или увеличивая просвет между собой и нижним валком.
Раскаленный слиток, пройдя через валки, попадает на рольганг – транспортер из вращающихся роликов. Оператор непрерывно меняет направление вращения валков блуминга и роликов рольганга. Поэтому слиток движется через валки то вперед, то назад, и каждый раз оператор все больше уменьшает зазор между валками, все сильнее обжимая слиток. Через каждые 5-6 проходов специальный механизм – кантователь переворачивает слиток на 90 градусов, чтобы обработать его со всех сторон. В конце концов, получается длинный брус, который по рольгангу направляется к ножницам. Здесь брус делят на куски – блумы.
Так же происходит прокатка и на слябинге, с той лишь разницей, что у слябинга 4 валка – 2 горизонтальных и 2 вертикальных, которые обрабатывают слиток сразу со всех сторон. Затем полученную длинную пластину режут на плоские заготовки – слябы.
Блуминги и слябинги используются только на тех заводах, где разливка стали производится старым способом – в изложницы. Там, где работают установки непрерывной разливки стали (УНРС), получают уже готовые блумы или слябы.
Готовые блумы и слябы идут в другие прокатные цехи, где на специальных прокатных станах из них делают, как говорят металлурги, профили, или профильный металл, то есть заготовки определенной толщины, формы, профиля.
Листовые станы, прокатывающие слябы в лист, имеют гладкие валки. На таких валках нельзя прокатать рельс или другое изделие сложного профиля. В валках, например, рельсобалочных станов делаются вырезы той формы, какая необходима для получения изделия. В каждом валке вырезается как бы половина профиля будущего изделия. Когда валки сближаются друг с другом, получается, как говорят металлурги, ручей, или калибр. На каждой паре валков таких калибров несколько. Первый имеет форму, только отдаленно похожую на форму изделия, следующие все больше приближаются к ней, и, наконец, последний калибр в точности соответствует тем размерам и форме изделия, какие надо получить. Сталь неподатлива, и ее приходится деформировать постепенно, пропуская через все калибры по очереди. Именно поэтому большинство станов имеет не одну пару валков, а несколько. Станины с валками (их называют клети) устанавливают параллельно либо в ряд, либо в шахматном порядке. Раскаленная заготовка мчится по рольгангам из клети в клеть, да еще в каждой клети движется то вперед, то назад, проходя через все калибры.
Сейчас все большее распространение получают высокопроизводительные станы непрерывной прокатки. Здесь клети стоят последовательно одна за другой. Миновав одну клеть, заготовка попадает во вторую, в третью, в четвертую и т д. После каждого обжатия заготовка вытягивается, и каждая последующая клеть должна за тот же промежуток времени пропустить через себя заготовку все большей длины. Некоторые непрерывные станы прокатывают металл со скоростью 80 метров в секунду (290 километров в час), а в год они обрабатывают несколько миллионов тонн. Например, производительность листового широкополосового непрерывного стана «2000», работающего на Новолипецком металлургическом заводе, достигает 6 миллионов тонн.
В СССР во Всесоюзном научно-исследовательском институте металлургического машиностроения были созданы принципиально новые станы литейно-прокатные. У них процессы непрерывного литья совмещены в единый поток с непрерывной прокаткой. Сегодня десятки таких станов работают в нашей стране для прокатки стальной, алюминиевой и медной проволоки.
Потребность в трубах для транспортировки нефти и природного газа на дальние расстояния вызвала необходимость создать трубные станы. Диаметр нефтяных и газовых труб увеличился. Первые трубопроводы были диаметром 0,2 метра, затем стали выпускать трубы больших диаметров – вплоть до 1,4 метра.
Применяются две принципиально различные технологии производства труб. Первый способ: заготовку нагревают до 1200—1300 градусов Цельсия, а затем на специальном стане в ней проделывают отверстие (ее прошивают) – получается короткая труба (гильза) с толстыми стенками. Потом гильзу раскатывают в длинную трубу. Так получают бесшовные трубы. Второй способ: стальной лист или ленту сворачивают в трубу и сваривают по прямой линии или по спирали.
Большой производительностью обладают непрерывные агрегаты шовно-стыковой сварки труб. Это комплекс из десятков машин и механизмов, работающих в одной технологической линии. Здесь все автоматизировано: на долю оператора, управляющего комплексом, остается только нажимать кнопки на пульте управления. Начинается процесс с нагрева непрерывной стальной ленты. Затем машины сворачивают ее в трубу, сваривают по шву, вытягивают в длину, уменьшают в диаметре, калибруют, разрезают на части, нарезают резьбу. 500 метров труб ежеминутно – такова производительность комплекса.
В последние годы появилось новое направление: на прокатных станах изготавливают не заготовки, а сразу готовые детали машин. На таких станах прокатывают автомобильные и тракторные полуоси, шпиндели текстильных веретен, детали тракторов, электродвигателей, буровых машин. Здесь прокатка вытеснила трудоемкие операции: ковку, штамповку, прессование и механическую обработку на различных металлорежущих станках – токарных, фрезерных, строгальных, сверлильных и др.
К этому же направлению относятся и получившие большое распространение профилегибочные станы, изготовляющие гнутые профили, и станы, прокатывающие фасонные профили высокой точности. Первые станы выгибают изделия сложной формы из стального листа, вторые – прокатывают сложные изделия с очень точными размерами. И в том и в другом случае изделия не нуждаются в дальнейшей обработке на станках. Их режут на части нужной длины и используют в машинах, механизмах и строительных конструкциях.
Солнечные электростанции
Солнечное излучение – экологически чистый и возобновляемый источник энергии. Запасы солнечной энергии огромны. К началу XXI века человечество разработало и освоило ряд принципов преобразования тепловой энергии в электрическую. Их можно условно разделить на машинные и безмашинные методы. Последние часто называют методами прямого преобразования энергии, поскольку в них отсутствует стадия преобразования тепловой энергии в механическую работу.
Среди машинных преобразователей наиболее известны паро– и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях.
Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки выглядит так. Солнечная радиация, собранная концентратором на поверхности солнечного котла, нагревает рабочее тело – инертный газ до температур порядка 1200—1500 градусов Кельвина и под давлением, создаваемым компрессором, подает горячий газ на лопатки газовой турбины, которая приводит в действие электрогенератор переменного тока. Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор, где подогревает рабочий газ после компрессора. Тем самым он облегчает работу основного нагревателя – солнечного котла. Затем газ охлаждается в холодильнике-излучателе.
Испытания трехкиловаттной газотурбинной установки, проведенные в 1977 году на пятиметровом фацетном параболическом концентраторе в Физико-техническом институте Академии наук Узбекистана, показали, что установки такого типа весьма маневренны. Выход на номинальные обороты составлял не более минуты с момента наведения солнечного пятна на полость цилиндрического котла. Коэффициент полезного действия этой установки – 11 процентов.
В энергоустановке с паротурбинным преобразователем собранная концентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации в холодильнике-излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке, а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше. У подобной установки, работающей на органическом рабочем теле, коэффициент полезного действия составляет 15-20 процентов при сравнительно невысоких температурах подвода тепла – всего 600—650 градусов Кельвина.
От многих недостатков, присущих машинным преобразователям, свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими, непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.
«Термоэлектрогенераторы основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре, – пишет в «Соросовском образовательном журнале» Л.М. Драбкин. – Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств – термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940—1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. Трудами и его школы в 40-50-е годы была разработана и теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы».
Соединяя между собой отдельные термоэлементы, можно создавать достаточно мощные термобатареи. Электростанция мощностью 10 ГВт может весить до 200 тысяч тонн. Снижение веса энергоустановки напрямую связано с повышением коэффициента полезного действия преобразования солнечной энергии в электричество. Этого можно достичь двумя путями: увеличением термического коэффициента полезного действия преобразователя и снижением необратимых потерь энергии во всех элементах энергоустановки.
В первом случае концентрированное излучение позволяет получать очень высокие температуры. Но одновременно при этом весьма возрастают требования к точности систем слежения за Солнцем, что для громадных по размерам концентрирующих систем маловероятно. Поэтому усилия исследователей неизменно направлялись на снижение необратимых потерь. Они попытались уменьшить переток тепла с горячих спаев на холодные теплопроводностью. Для решения этой задачи требовалось добиться увеличения добротности полупроводниковых материалов. Однако после многолетних попыток синтезировать полупроводниковые материалы с высокой добротностью стало ясно, что достигнутая сегодня величина является предельной. Тогда возникла идея разделить горячий и холодный спаи воздушным промежутком, подобно двухэлектродной лампе – диоде. Если в такой лампе разогревать один электрод – катод и при этом охлаждать другой электрод – анод, то во внешней электрической цепи возникнет постоянный ток. Впервые это явление наблюдал в 1883 году Томас Эдисон.
«Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии, – пишет Л.М. Драбкин. – Подобно термоэлектричеству оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество. И хотя природа у термоэлектричества и термоэлектронной эмиссии разная, но выражения для КПД у них одинаковые.
Главные составляющие необратимых потерь в ТЭП связаны с неизотермическим характером подвода и отвода тепла на катоде и аноде, перетоком тепла с катода на анод по элементам конструкции ТЭП, а также с омическими потерями в элементах последовательного соединения отдельных модулей.
Для достижения высоких КПД цикла Карно современные ТЭП создают на рабочие температуры катодов 1700—1900 К, что при температурах охлаждаемых анодов порядка 700 К позволяет получать КПД порядка 10 процентов. Таким образом, благодаря снижению необратимых потерь в самом преобразователе и при одновременном повышении температуры подвода тепла КПД ТЭП оказывается вдвое выше, чем у описанного выше ТЭГ, но при существенно более высоких температурах подвода тепла».
Теперь рассмотрим фотоэлектрический метод преобразования энергии. В солнечных батареях используется явление внешнего фотоэффекта, проявляющегося на p-n-переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают p-n (или n-p)-переход путем введения в монокристаллический полупроводниковый материал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. При попадании на p-n-переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей достигает 13-15 процентов.
У солнечных электростанций есть одна, но весьма существенная проблема. Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. А что если разместить солнечные энергостанции в космосе, на околоземной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии Солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.
Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции, сегодня точно сказать нельзя, хотя к проектированию подобных электростанций конструкторы приступили еще в конце 1960-х годов. Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение. Даже самая маленькая космическая электростанция должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на удаленную от Земли орбиту.
Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную – орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно делать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к «месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.
Но это в будущем. Пока же солнечные батареи с успехом питают космические станции.
Среди машинных преобразователей наиболее известны паро– и газотурбинные установки, работающие на всех наземных тепловых и атомных электростанциях.
Принципиальная схема замкнутой газотурбинной установки выглядит так. Солнечная радиация, собранная концентратором на поверхности солнечного котла, нагревает рабочее тело – инертный газ до температур порядка 1200—1500 градусов Кельвина и под давлением, создаваемым компрессором, подает горячий газ на лопатки газовой турбины, которая приводит в действие электрогенератор переменного тока. Отработавший в турбине газ поступает сначала в регенератор, где подогревает рабочий газ после компрессора. Тем самым он облегчает работу основного нагревателя – солнечного котла. Затем газ охлаждается в холодильнике-излучателе.
Испытания трехкиловаттной газотурбинной установки, проведенные в 1977 году на пятиметровом фацетном параболическом концентраторе в Физико-техническом институте Академии наук Узбекистана, показали, что установки такого типа весьма маневренны. Выход на номинальные обороты составлял не более минуты с момента наведения солнечного пятна на полость цилиндрического котла. Коэффициент полезного действия этой установки – 11 процентов.
В энергоустановке с паротурбинным преобразователем собранная концентратором солнечная энергия нагревает в солнечном котле рабочую жидкость, переходящую в насыщенный, а затем и в перегретый пар, который расширяется в турбине, соединенной с электрогенератором. После конденсации в холодильнике-излучателе отработавшего в турбине пара его конденсат, сжимаемый насосом, вновь поступает в котел. Поскольку подвод и отвод тепла в этой установке осуществляются изотермически, средние температуры подвода и отвода оказываются выше, чем в газотурбинной установке, а удельные площади излучателя и концентратора могут оказаться меньше. У подобной установки, работающей на органическом рабочем теле, коэффициент полезного действия составляет 15-20 процентов при сравнительно невысоких температурах подвода тепла – всего 600—650 градусов Кельвина.
От многих недостатков, присущих машинным преобразователям, свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими, непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.
«Термоэлектрогенераторы основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре, – пишет в «Соросовском образовательном журнале» Л.М. Драбкин. – Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств – термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940—1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. Трудами и его школы в 40-50-е годы была разработана и теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы».
Соединяя между собой отдельные термоэлементы, можно создавать достаточно мощные термобатареи. Электростанция мощностью 10 ГВт может весить до 200 тысяч тонн. Снижение веса энергоустановки напрямую связано с повышением коэффициента полезного действия преобразования солнечной энергии в электричество. Этого можно достичь двумя путями: увеличением термического коэффициента полезного действия преобразователя и снижением необратимых потерь энергии во всех элементах энергоустановки.
В первом случае концентрированное излучение позволяет получать очень высокие температуры. Но одновременно при этом весьма возрастают требования к точности систем слежения за Солнцем, что для громадных по размерам концентрирующих систем маловероятно. Поэтому усилия исследователей неизменно направлялись на снижение необратимых потерь. Они попытались уменьшить переток тепла с горячих спаев на холодные теплопроводностью. Для решения этой задачи требовалось добиться увеличения добротности полупроводниковых материалов. Однако после многолетних попыток синтезировать полупроводниковые материалы с высокой добротностью стало ясно, что достигнутая сегодня величина является предельной. Тогда возникла идея разделить горячий и холодный спаи воздушным промежутком, подобно двухэлектродной лампе – диоде. Если в такой лампе разогревать один электрод – катод и при этом охлаждать другой электрод – анод, то во внешней электрической цепи возникнет постоянный ток. Впервые это явление наблюдал в 1883 году Томас Эдисон.
«Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии, – пишет Л.М. Драбкин. – Подобно термоэлектричеству оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество. И хотя природа у термоэлектричества и термоэлектронной эмиссии разная, но выражения для КПД у них одинаковые.
Главные составляющие необратимых потерь в ТЭП связаны с неизотермическим характером подвода и отвода тепла на катоде и аноде, перетоком тепла с катода на анод по элементам конструкции ТЭП, а также с омическими потерями в элементах последовательного соединения отдельных модулей.
Для достижения высоких КПД цикла Карно современные ТЭП создают на рабочие температуры катодов 1700—1900 К, что при температурах охлаждаемых анодов порядка 700 К позволяет получать КПД порядка 10 процентов. Таким образом, благодаря снижению необратимых потерь в самом преобразователе и при одновременном повышении температуры подвода тепла КПД ТЭП оказывается вдвое выше, чем у описанного выше ТЭГ, но при существенно более высоких температурах подвода тепла».
Теперь рассмотрим фотоэлектрический метод преобразования энергии. В солнечных батареях используется явление внешнего фотоэффекта, проявляющегося на p-n-переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают p-n (или n-p)-переход путем введения в монокристаллический полупроводниковый материал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. При попадании на p-n-переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. Коэффициент полезного действия современных солнечных батарей достигает 13-15 процентов.
У солнечных электростанций есть одна, но весьма существенная проблема. Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера. А что если разместить солнечные энергостанции в космосе, на околоземной орбите. Там не будет атмосферных помех, невесомость позволит создавать многокилометровые конструкции, которые необходимы для «сбора» энергии Солнца. У таких станций есть большое достоинство. Преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.
Как на самом деле будут выглядеть солнечные космические электростанции, сегодня точно сказать нельзя, хотя к проектированию подобных электростанций конструкторы приступили еще в конце 1960-х годов. Любой вариант проекта солнечной космической электростанции предполагает, что это колоссальное сооружение. Даже самая маленькая космическая электростанция должна весить десятки тысяч тонн. И эту гигантскую массу необходимо будет запустить на удаленную от Земли орбиту.
Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную – орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей. Чтобы уменьшить массу огромных зеркал, концентрирующих солнечный свет, можно делать их из тончайшей зеркальной пленки, например, в виде надувных конструкций. Собранные фрагменты солнечной космической электрической станции нужно доставить на высокую орбиту и состыковать там. А долететь к «месту работы» секция солнечной электростанции сумеет своим ходом, стоит только установить на ней электроракетные двигатели малой тяги.
Но это в будущем. Пока же солнечные батареи с успехом питают космические станции.
Ветроэлектростанции
Запасы ветровой энергии, по сути дела, безграничны. Эта энергия возобновляема, и в отличие от тепловых станций ветроэнергетика не использует богатства недр, а ведь добыча угля, нефти, газа связана с огромными затратами труда. К тому же тепловые станции загрязняют окружающую среду, а плотины ГЭС создают на реках искусственные моря, нарушая природное равновесие. С другой стороны, ветроэлектростанция такой же мощности, как ГЭС или АЭС, по сравнению с ними занимает гораздо большую площадь. И справедливости ради надо сказать, что ветроэлектростанции не совсем безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями, создавая помехи приему телепередач в близлежащих населенных пунктах.
Обычно рабочим органом ветродвигателя служат лопасти воздушного винта, который и называют ветроколесом. Теорию его еще в начале XX века разработал известный русский ученый Н.Е. Жуковский. Для описания явлений, связанных с прохождением воздушного потока через колесо, он применил теорию подъемной силы крыла самолета и определил значение максимально возможного коэффициента использования энергии ветра идеальным колесом. Коэффициент полезного действия оказался равным 59,3 процента.
Ветер – стихия весьма капризная то он дует с одной стороны, через некоторое время – с другой. Чтобы колесо эффективно использовало энергию воздушного потока, его необходимо каждый раз разворачивать против ветра. Для этой цели служат специальные устройства – хвостовая пластина (флюгер) или небольшое ветровое колесо (виндроза).
Ветер редко дует с постоянной скоростью. Изменилась его скорость – замедлилось или ускорилось вращение колеса и связанного с ним вала, через который вращение колеса передается электрическому генератору. Чтобы вал вращался с постоянной частотой, применяют разные приспособления.
Для получения энергии ветра используются разные конструкции. Это многолопастные «ромашки» и винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Такой вертикальный ротор напоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Встречаются и оригинальные решения. Например, тележка с парусом ездит по кольцу из рельсов, а ее колеса приводят в действие электрогенератор.
Наиболее распространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3. Турбина, мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. В последних моделях ВЭУ используются асинхронные генераторы переменной скорости, а задачу кондиционирования вырабатываемой электроэнергии выполняет электроника.
Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топлива очень дорога. В России это, в первую очередь, Сахалин, Камчатка, Арктика, Крайний Север и т д.
При среднегодовой скорости ветра около 7 метров в секунду и среднем числе часов работы на полной мощности 2500 часов в год такая установка вырабатывает электроэнергию стоимостью 7-8 центов/кВч. Сегодня наиболее распространены ВЭУ единичной мощностью 100—500 кВт, хотя построены и эксплуатируются агрегаты единичной мощностью в несколько мегаватт.
Малые ВЭУ (мощностью менее 100 кВт) обычно предназначаются для автономной работы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачи энергии более высокого качества и не допускают перерывов в питании, например, в периоды безветрия. Поэтому им необходим «дублер», то есть резервные источники энергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, или меньшей мощности.
Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100 кВт), то они применяются как электростанции и включаются обычно в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливается достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому «ферма» занимает много места. Такие «фермы» есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря – там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше. В Калифорнии (США) на одной из них размещено около тысячи ветроустановок, так что суммарная установленная мощность фермы превышает 100 МВт.
Обычно для снижения зависимости от капризов ветра в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы, в основном электрические. Но вместе с тем используют и воздушные. В этом случае ветряк нагнетает воздух в баллоны. Выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором. Еще один вариант – гидравлические аккумуляторы. Здесь силой ветра вода поднимается на определенную высоту, затем, падая вниз, она вращает турбину. Ставят даже электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на водород и кислород. Их запасают в баллонах. Потом по мере необходимости водород и кислород сжигают в топливном элементе либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанных с капризами ветра.
В Испании довольно долго работала удивительная ветроустановка, сама создававшая для себя ветер! Обширный круг земли в основании выстроенной высокой трубы покрыли полиэтиленовой пленкой на каркасных опорах. Жаркое испанское солнце нагревало и землю, и воздух под пленкой. В результате в трубе возникала ровная постоянная тяга, а встроенная в трубу крыльчатка вращала генератор. Тяга не прекращалась даже в пасмурные дни и ночью: земля долго хранит тепло. Однако эксплуатация такой установки оказалась довольно дорогой. Постепенно металлическая труба проржавела, а пленка разрушилась. После очередного урагана ремонтировать систему не стали.
ВЭУ занимались и занимаются и в России. В начале 1990-х годов была создана ветроустановка небольшой мощности «Конвет-1Э» двух модификаций – с асинхронным генератором (2 кВт, 230 В) и индукторным генератором постоянного тока (12 или 24 В). Ветроколесо с двумя лопастями вращает генератор. Благодаря применению инвертора или выпрямителя можно обеспечивать энергией телевизор, холодильник, радиоприемник, заряжать аккумуляторную батарею. В зонах со среднегодовыми скоростями ветра 5-6 метров в секунду стоимость 1 кВт-ч от такой ВЭУ в 1,4-1,7 раза ниже, чем от равноценного по мощности бензинового агрегата. Масса установки – 460 килограммов.
Обычно рабочим органом ветродвигателя служат лопасти воздушного винта, который и называют ветроколесом. Теорию его еще в начале XX века разработал известный русский ученый Н.Е. Жуковский. Для описания явлений, связанных с прохождением воздушного потока через колесо, он применил теорию подъемной силы крыла самолета и определил значение максимально возможного коэффициента использования энергии ветра идеальным колесом. Коэффициент полезного действия оказался равным 59,3 процента.
Ветер – стихия весьма капризная то он дует с одной стороны, через некоторое время – с другой. Чтобы колесо эффективно использовало энергию воздушного потока, его необходимо каждый раз разворачивать против ветра. Для этой цели служат специальные устройства – хвостовая пластина (флюгер) или небольшое ветровое колесо (виндроза).
Ветер редко дует с постоянной скоростью. Изменилась его скорость – замедлилось или ускорилось вращение колеса и связанного с ним вала, через который вращение колеса передается электрическому генератору. Чтобы вал вращался с постоянной частотой, применяют разные приспособления.
Для получения энергии ветра используются разные конструкции. Это многолопастные «ромашки» и винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Такой вертикальный ротор напоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Встречаются и оригинальные решения. Например, тележка с парусом ездит по кольцу из рельсов, а ее колеса приводят в действие электрогенератор.
Наиболее распространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3. Турбина, мультипликатор и электрогенератор размещаются в гондоле, установленной на верху мачты. В последних моделях ВЭУ используются асинхронные генераторы переменной скорости, а задачу кондиционирования вырабатываемой электроэнергии выполняет электроника.
Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топлива очень дорога. В России это, в первую очередь, Сахалин, Камчатка, Арктика, Крайний Север и т д.
При среднегодовой скорости ветра около 7 метров в секунду и среднем числе часов работы на полной мощности 2500 часов в год такая установка вырабатывает электроэнергию стоимостью 7-8 центов/кВч. Сегодня наиболее распространены ВЭУ единичной мощностью 100—500 кВт, хотя построены и эксплуатируются агрегаты единичной мощностью в несколько мегаватт.
Малые ВЭУ (мощностью менее 100 кВт) обычно предназначаются для автономной работы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачи энергии более высокого качества и не допускают перерывов в питании, например, в периоды безветрия. Поэтому им необходим «дублер», то есть резервные источники энергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, или меньшей мощности.
Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100 кВт), то они применяются как электростанции и включаются обычно в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливается достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю «фермы» может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому «ферма» занимает много места. Такие «фермы» есть в США, во Франции, в Англии, а в Дании «ветряную ферму» разместили на прибрежном мелководье Северного моря – там она никому не мешает и ветер устойчивее, чем на суше. В Калифорнии (США) на одной из них размещено около тысячи ветроустановок, так что суммарная установленная мощность фермы превышает 100 МВт.
Обычно для снижения зависимости от капризов ветра в систему включают маховики, частично сглаживающие порывы ветра, и разного рода аккумуляторы, в основном электрические. Но вместе с тем используют и воздушные. В этом случае ветряк нагнетает воздух в баллоны. Выходя оттуда, его ровная струя вращает турбину с электрогенератором. Еще один вариант – гидравлические аккумуляторы. Здесь силой ветра вода поднимается на определенную высоту, затем, падая вниз, она вращает турбину. Ставят даже электролизные аккумуляторы. Ветряк дает электрический ток, разлагающий воду на водород и кислород. Их запасают в баллонах. Потом по мере необходимости водород и кислород сжигают в топливном элементе либо в газовой турбине, вновь получая ток, но уже без резких колебаний напряжения, связанных с капризами ветра.
В Испании довольно долго работала удивительная ветроустановка, сама создававшая для себя ветер! Обширный круг земли в основании выстроенной высокой трубы покрыли полиэтиленовой пленкой на каркасных опорах. Жаркое испанское солнце нагревало и землю, и воздух под пленкой. В результате в трубе возникала ровная постоянная тяга, а встроенная в трубу крыльчатка вращала генератор. Тяга не прекращалась даже в пасмурные дни и ночью: земля долго хранит тепло. Однако эксплуатация такой установки оказалась довольно дорогой. Постепенно металлическая труба проржавела, а пленка разрушилась. После очередного урагана ремонтировать систему не стали.
ВЭУ занимались и занимаются и в России. В начале 1990-х годов была создана ветроустановка небольшой мощности «Конвет-1Э» двух модификаций – с асинхронным генератором (2 кВт, 230 В) и индукторным генератором постоянного тока (12 или 24 В). Ветроколесо с двумя лопастями вращает генератор. Благодаря применению инвертора или выпрямителя можно обеспечивать энергией телевизор, холодильник, радиоприемник, заряжать аккумуляторную батарею. В зонах со среднегодовыми скоростями ветра 5-6 метров в секунду стоимость 1 кВт-ч от такой ВЭУ в 1,4-1,7 раза ниже, чем от равноценного по мощности бензинового агрегата. Масса установки – 460 килограммов.