Лаврус В С
Источники энергии
В.С.Лаврус
Источники энергии
Серия "Информационное Издание", Выпуск 3
Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Неисправности в сетях и перебои подачи электроэнергии парализуют все виды деятельности. В сложившихся условиях потребителю самому следует принимать дополнительные меры по энергообеспечению и защите своего оборудования. В книге отражено сегодняшнее техническое состояние энергетики как отрасли, представлен обзор устройств для получения и преобразования электрической энергии.
Правильный выбор необходимого Вам устройства помогут осуществить приведенные в книге сравнительный анализ и оценки эффективности доступных для практического использования устройств (информация предоставлена представительствами фирм-производителей).
Оглавление
Введение
Глава 1. Энергетика вчера и сегодня
Глава 2. Химические источники тока
2.1. Стационарные аккумуляторы
2.1.1. Сепараторы
2.1.2. Электролит
2.2. Стационарные аккумуляторы VARTA
2.2.1. Типы пластин аккумуляторов
2.2.2. Материал положительного электрода
2.2.3. Герметизация
2.2.4. Проектирование батарейных установок
2.3. Стационарные аккумуляторы FIAMM
2.3.1. Общие характеристики
2.3.2. Конструкция
2.3.3. Режимы работы
2.4. Аккумуляторы Hawker Batteries Group
2.4.1. Аккумуляторы серии Powersafe
2.4.2. Аккумуляторы "Pure Lead Technology"
2.5. Топливные элементы
Глава 3. Системы бесперебойного электропитания
3.1. Классификация источников бесперебойного питания
3.1.1. Резервные ИБП (Off-Line)
3.1.2. ИБП с двойным преобразованием (On-Line)
3.2. ИБП Chloride Power Electronics
3.3. ИБП American Power Conversion
3.3.1. Второе и третье поколение ИБП APC
3.3.2. Выбор ИБП
3.3.3. Соединение приборов
3.3.4. Обслуживание и ремонт ИБП
3.4. ИБП Best Power
3.4.1. Нетрадиционные применения ИБП
3.4.2. Использование ИБП для оргтехники
3.5. Преобразовательная техника фирмы Benning
3.5.1. Выпрямители
3.5.2. Тиристорные выпрямители
3.5.3. Инверторы
3.5.4. Стабилизаторы и преобразователи постоянного напряжения
3.5.5. Управление устройствами электропитания
3.6. Преобразовательная техника фирмы Voigt & Haeffner
Глава 4. Автономные источники энергии
4.1. Дизель-генераторные установки фирмы ABZ Aggregate-Bau GmbH
4.1.1. Выбор способа управления агрегатом
4.1.2. Сферы применения дизель-агрегатов
4.2. Дизель-генераторы концерна SDMO
4.3. Солнечная энергия
4.3.1. Гелиоустановки на широте 60o
4.3.2. Гелиомобиль сегодня
4.3.3. Преобразователи солнечной энергии
4.3.4. Концентраторы солнечного света
4.3.5. Жилой дом с солнечным отоплением
4.4. Энергия ветра
4.4.1. Ветер
4.4.2. Упряжь для ветра
ВВЕДЕНИЕ
Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Производительность -- и, в конечном счете, прибыль -- в значительной степени зависит от стабильности подачи энергии. Наличие энергии -- одно из необходимых условий для решения практически любой задачи.
Получением, а правильнее сказать, преобразованием энергии лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в виде удобном для использования, а само получение -- только преобразование из одного вида в другой.
В предлагаемой книге ставилась цель представить сегодняшнее техническое состояние энергетики как отрасли и ассортимент источников и устройств преобразования электрической энергии, доступных для практического использования, от производителей присутствующих на нашем рынке. В приводимых примерах использован опыт разработок реальных проектов отечественных и зарубежных фирм (см. стр. 106).
Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Просчеты в этой области имеют серьезные последствия. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности -все это требует затрат энергии.
Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и газа, которые удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества (гл. 1).
Одной из важных проблем в энергетике, кроме получения энергии, является обеспечение возможностей ее хранения и транспортирования. Химические источники тока, известные более 100 лет, позволяют вырабатывать, хранить и преобразовывать энергию. Они являются непременными спутниками любых автономных источников энергии (гл. 2).
Наиболее универсальная форма энергии -- электричество. Оно вырабатывается на электростанциях и распределяется между потребителями посредством электрических сетей коммунальными службами. Прекращение подачи электроэнергии парализует все виды деятельности. Для того чтобы этого не произошло -- используются системы бесперебойного электропитания и автономные источники энергии (гл. 3 и 4).
Потребности в энергии продолжают постоянно расти. Наша цивилизация динамична. Любое развитие требует, прежде всего, энергетических затрат и при существующих формах национальных экономик многих государств можно ожидать возникновения серьезных энергетических проблем. Более того, в некоторых странах они уже существуют.
Даже если энергетического кризиса удастся избежать, мир, рано или поздно, неизбежно столкнется с тем, что основные виды традиционного топлива будут исчерпаны. Запасы нефти, газа, угля не бесконечны. Чем больше мы используем эти виды энергетического сырья, тем меньше их остается и тем дороже с каждым днем они нам обходятся.
Несмотря на то, что количество разведанных запасов некоторых энергетических ресурсов, например, нефти, возрастает, перед человечеством уже сегодня встает задача освоения неисчерпаемых источников энергии.
В течение следующего века начнется переход к другим источникам энергии, после чего человечество прочно встанет на путь создания неисчерпаемой системы снабжения энергией.
Поскольку, еще можно выбирать между различными источниками энергии решающее значение для выбора имеет стоимость энергии. В отличие от нефти сегодня в мире не существует каких-то единых цен на уголь. Его стоимость колеблется в зависимости от содержания тех или иных компонентов, возможности использования для определенных целей, условий транспортировки и т.д.
Что касается ядерной энергии, то здесь ситуация парадоксальна. Можно утверждать, что атомная энергетика возникла слишком рано и одновременно слишком поздно.
Если мы говорим "рано", то это означает, что ее использование еще не стало насущно необходимым, так как сегодня и в ближайшие десятилетия еще есть возможность пользоваться нефтью и газом. Во втором случае речь идет о том, что использование возможностей атомной энергетики не внесло существенного вклада в энергетику [1].
До настоящего времени работы по управляемому термоядерному синтезу не вышли из экспериментальной стадии. Поэтому на этот вид безграничных энергетических ресурсов пока рассчитывать не приходится.
Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем ее вырабатывается всеми электростанциями мира. Задача здесь состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы ее небольшое количество (гл. 4). Нельзя утверждать, что широкомасштабное использование солнечной энергии не будет иметь никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике.
Глава 1
ЭНЕРГЕТИКА ВЧЕРА И СЕГОДНЯ
На протяжении почти 80 лет электроэнергетика развивалась и функционировала как общенациональная монополия. Каждая республика бывшего Союза являлась интегрированной частью единой энергетической системы (ЕЭС). В 1991 году начался процесс децентрализации и дезинтеграции ЕЭС и электроэнергетики. Начался процесс реформирования отрасли, что привело к снижению качества и росту цен на электроэнергию.
В эпоху угольной и мазутной энергетики необходимо было получать электричество и тепло на крупных станциях, а затем передавать их потребителям находящимся на расстоянии. Такие системы были оправданы -- они возникли в те годы, когда основным источником энергии для страны был каменный уголь. Сжигать его трудно -- нужна сложная техника для размола. Кроме того, следовало располагать станции подальше от жилья.
Затем появились электростанции и котельные на мазуте. Но мазут -- это топливо доступное только для сжигания на крупных установках, причем, с обилием выделяемых токсичных газов в выбросах из дымовых труб.
Атомные электростанции наносят не меньший ущерб. Утилизация отработанного топлива ядерных реакторов и тепла, последствия радиоактивных выбросов и аварий -- неполный перечень недостатков "мирного атома".
Зачастую мы не можем в абсолютных единицах выразить ущерб, который всегда наносит любая тепло- или электростанция. Выбор вариантов развития энергетики разумен только в том случае, если сравниваются не только положительные, но и отрицательные факторы.
В кипении политических страстей частный вопрос об энергоснабжении страны отодвинулся на второй план. Многие считают, что этот вопрос их не касается. Но если представить реакцию населения замерзающего в темных квартирах -- энергетика опередит даже продовольственный вопрос.
Лозунг "Долой атомные электростанции" используют деятели всех мастей. "Зеленые" его применяют в прямом смысле. Противостоящие им апологеты (апологет -- тот, кто выступает с защитой какой-либо идеи) нынешних гигантских электростанций тоже любят этот лозунг, как пример очевидной некомпетентности и недальновидности "зеленых": "Посидят, дескать, в темноте -запоют иначе" [2].
Главные объекты дискуссий -- тепловые, гидравлические и атомные электростанции. Каждая из этих "фабрик электричества" имеет серьезные недостатки из которых на первое место выдвигается наносимый ими экологический ущерб.
Для понимания "что такое хорошо и что такое плохо" в энергетике необходимы критерии учитывающие необходимость продолжения хозяйственной деятельности человека и, наряду с этим, минимизирующие ущерб наносимый окружающей среде.
Основной вклад в загрязнение атмосферы углекислым газом вносят ТЭЦ, ГРЭС и автомобили. Атомные электростанции не выбрасывают углекислый газ, а потому "парниковый эффект" стал главным аргументом у сторонников атомной энергетики.
Достаточно большим энергетическим потенциалом обладают разведанные запасы газа. С экологической точки зрения у природного газа два недостатка: выбросы окислов азота и углекислого газа усиливающего парниковый эффект. При умелом сжигании газа, в парогазовых установках, окислов азота образуется немного (см. стр. 9), а выбросы углекислого газа примерно вдвое ниже, чем при использовании угля или нефти.
До того как мы научимся получать энергию в больших количествах из принципиально новых источников будут использоваться традиционные виды топлива. Поэтому разрабатываются новые месторождения и исследуются процессы, позволяющие эффективнее использовать энергию ископаемого топлива и уменьшить связанное с этим загрязнение окружающей среды.
В этой главе мы хотим показать, что нет оснований слепо верить тем, кто рисует наше будущее в мрачных тонах, кто постоянно твердит, что близится "конец света", что энергетический кризис и загрязнение окружающей среды в течение десятилетий угробят человечество.
Парниковый эффект
Опасность парникового эффекта человечество осознало сравнительно недавно [1]. Наряду с термическими процессами, происходящими внутри нашей планеты, большую часть энергии несет излучение солнца.
Температура излучающей поверхности Солнца около 6000oК. Падающая на Землю энергия переносится излучением с длиной волны от 0,2 до 2 мкм (кривая 1 на рис. p082). Излучаемая земной поверхностью, со средней температурой в 255oК, энергия распространяется в диапазоне длин волн от 2 до 100 мкм (кривая 2 на рис. p082).
Водяной пар атмосферы свободно пропускает прямое солнечное излучение и сравнительно слабо задерживает его отражение. Активное поглощение водой приходится на диапазон 4...7 мкм. На рис. p082 этот диапазон занимает узкий участок спектра (участок H2O кривой 2). Углекислый газ (СО2) поглощает излучение на частотах 13...19 мкм. Он задерживает отраженное тепло на участке кривой 2.
Таким образом, "углекислотное одеяло" повышает температуру планеты. Рост температуры коррелирует с ростом концентрации углекислого газа в атмосфере.
На рис. p083 показано изменение концентрации СО2, измеренное на Гавайских островах. Там нет промышленных центров, поэтому можно считать, что регистрировалась "общемировая" картина. Замеры за 25 лет показали, что с 1959 по 1984 год, количество углекислого газа в атмосфере возросло.
За десятилетие 1970...80 гг. повышение температуры земной поверхности составило 0,3oС. В последующие десятилетия прогнозировался рост температуры на несколько градусов. Реальное повышение температуры происходит несколько медленнее. Однако, в будущем потепление может стать причиной глобального экологического бедствия -- привести к таянию полярных льдов, повышению уровня и затоплению прибрежных территорий мирового океана. По предварительным оценкам таяние полярных "шапок" Земли приведет к повышению уровня мирового океана на 6 метров.
Топливные ресурсы Земли
После нефтяного кризиса 1973...74 годов в развитых странах серьезно задумались об экономии природного топлива. С той поры начался интенсивный поиск энергосберегающих технологий -конструирование экономичных двигателей, электростанций и пр.
В результате потребности в топливе а, соответственно и цены на него, не только стабилизировались, но даже снизились. Изменились, став более оптимистичными, прогнозы относительно природных топливных запасов.
К примеру, прогнозы не учитывают гигантские резервы газовых гидратов (газовые гидраты -- газы, связанные с водой в зонах вечной мерзлоты и на дне морей). Но даже если этот сырьевой источник не брать в расчет, то имеющихся ресурсов, при незначительном замещении нефти углем и газом, вполне достаточно, чтобы обеспечить уверенное энергетическое обеспечение человечества до конца следующего столетия. Так что в обозримом будущем природные ресурсы смогут успешно конкурировать как с еще только осваиваемым водородом, так и с синтетическими видами топлива. Цифры, приводимые на рис. p065, показывают в каком соотношении используется ископаемое топливо [3].
Имеющиеся в нашем распоряжении источники энергии мы используем в высшей степени нерационально. Человек вынужден неоднократно преобразовывать один вид энергии в другой пока окончательно ее не использует.
Каждое преобразование сопровождается потерями части энергии. На электростанциях из топлива получают тепловую энергию, используемую для производства пара. Пар, в свою очередь, приводит в движение турбины. Теперь уже механическая энергия, которая передается генераторам, преобразуется, в конечном счете, в электроэнергию. При использовании электронагревательных приборов полученная многократными преобразованиями и поэтому дорогая электрическая энергия превращается вновь в тепловую. В результате из всей получаемой энергии мы реально потребляем не более половины, остальная безвозвратно теряется.
Потери тепловой энергии на первой ступени не позволяют получить КПД выше 40%. Отработанное тепло попадает в водоемы и нарушает в них биологическое равновесие. Тепловые электростанции сжигающие уголь день и ночь выбрасывают в атмосферу тонны соединений углерода (ежегодно в атмосферу выбрасывается около шести миллиардов тонн углерода [3]) и серы. Последние вступают в химическую реакцию с влагой, содержащейся в воздухе, образуя кислоты разъедающие сталь и мрамор и, что намного хуже, разрушающие наши легкие.
В сравнении с традиционными паротурбинными электростанциями, ТЭЦ и котельными более эффективна газовая микроэнергетика. Малые установки позволяют вырабатывать необходимое количество энергии в соответствии с текущими потребностями в непосредственной близости от потребителя. Они обладают высокой надежностью и малоинерционны. Стоимость оборудования на киловатт мощности вдвое ниже, чем на крупных ТЭЦ.
Важное преимущество газовой микроэнергетики -маневренность. Изменить электрический режим можно за секунды, тепловой режим -- за минуты, вместо многих часов изменения режима в обычных тепловых сетях. Практическая нерегулируемость сегодняшних тепловых источников с длинными сетями приводит к перерасходу энергии: когда зимой потеплеет и мы открываем окна, выбрасывая избыток тепла на улицу.
Отметим еще одну деталь: за все потери в энергетике, в конечном счете, платит потребитель.
Нефть -- источник энергии и сырья
Долгое время нефть не находила применения как топливо и сырье. Только в начале ХIХ века из "земляного масла", как ее тогда называли, стали выделять очищенные продукты. Прежде всего, научились получать керосин и бензин. Керосин нашел применение сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензина оказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эта легковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходов нефти.
Бензина с каждым годом становилось все больше и от него все труднее было избавляться. К началу ХХ века вес уничтожаемого бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год. Объявлялись конкурсы -- кто найдет лучший способ уничтожения отходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания открыло реальную область применения бензина [4].
Нефть содержит до 50% мазута, который также не находил применения. В настоящее время из него изготавливают смазки и сжигают в специально разработанных топках котлов.
Месторождения нефти на материках, которые могут быть освоены отработанными методами, давно и хорошо известны. Их эксплуатация идет полным ходом.
На протяжении многих лет специально оборудованные суда, ведущие разведку нефти, тщательно исследуют морское дно. Геологи связывают свои надежды, прежде всего, с шельфом (шельф [англ. shelf] -- подводное продолжение материка, до глубины 200 м) -- дном мелководных морей, омывающих все без исключения части света.
В морях, которые глубоко вдаются в материки, шельфовые зоны сравнительно велики, поскольку вокруг лежит суша. Берега в таких местах, как правило, омываются мелководьем.
Наиболее перспективное шельфовое море -- Северное. Сейсмическое зондирование и контрольное бурение показало, что под его дном находятся несколько десятков нефтяных месторождений. Согласно оценкам, суммарные разведанные запасы нефти в Северном море достигают 1,5 млрд. т. Это в семь раз превышает запасы нефти на Европейском континенте.
Специалисты полагают, что до сих пор разведана около 1/3 нефти. Кроме нефти под дном Северного моря обнаружено около 50 газоносных месторождений.
В связи с этим становится понятной дальновидность построения морских терминалов, например, в Одессе. Нефть нужно переработать. При этом получают не только топливо, но и сырье.
Газификация угля
Кроме непосредственного сжигания уголь может использоваться как сырье для получения синтетического газа. Первые опыты по газификации угля относятся к концу ХVIII века. В 1782 году Ф. Фонтана сообщил о наблюдавшейся им реакции образования "горючего газа" при пропускании водяного пара через раскаленный уголь.
Опыты по получению газа для освещения проводились в Англии в начале ХIХ века. В 1831 г. Дж. Лоу предложил сжигать уголь в атмосфере воздуха, а затем газифицировать пропуская через него водяной пар. В 1840 г. был построен первый газогенератор. В 1854 г. -- зарегистрирован первый патент на технологию газификации угля в промышленных масштабах.
Рост доли промышленного использования в энергетике нефти и природного газа сделал процессы газификации угля конкурентоспособными. Энергетические компании снова обратили на него внимание в период энергетического кризиса 1973...74 гг.
Производительные технологии разработаны в начале ХХ века. Известен метод газификации угольной пыли, предложенный Винклером, в начале 20-х годов. Фирма "Лугри" разработала технологию получения газа, обладающего высокой теплотворной способностью, с использованием кислорода и водяного пара под давлением.
С точки зрения экологии любые виды газификации угля только увеличивают вредные выбросы. При сжигании выбросы окислов серы и азота остаются велики даже при очень дорогостоящих очистных сооружениях, а выбросы основного продукта сгорания -углекислого газа -- неустранимы.
Если теплоэлектростанции наряду с уловителями золы и очисткой сточных вод оборудуются установками для серо- и азотоочистки, то они, безусловно, дорожают. Расчеты показывают, что энергия угольных ТЭЦ обойдется вдвое дороже газовых.
Таким образом, представляется, что для энергоснабжения экономичнее использовать природный газ.
Газовая микроэнергетика
Газ -- наиболее эффективный вид топлива. Природный и попутный горючий газ состоит из углеводородов с примесью азота, углекислого газа, сероводорода и в небольших количествах аргона и гелия. В его состав входит 40...80% метана и пропана, 20...60% бутана, пентана и высших углеводородов, а теплотворная способность достигает 4,19 кДж/кг.
Газ как топливо создает единственную экологическую опасность -- токсичные окислы азота в продуктах горения. В малых котлах их образуется в пять раз меньше (на единицу вырабатываемой энергии), чем в больших. Кроме того, существуют хорошо проверенные простые методы дальнейшего снижения окислов азота в выбросах путем подмешивания части дымовых газов к входящему воздуху, то есть с рециркуляцией или дожиганием.
Дожигатель монтируется на любую горелку и обеспечивает медленное, с многократной рециркуляцией, вихревое движение горящих газов дающее полное сгорание -- без сажи и при минимальных количествах окислов азота. Этот метод используется при сжигании не только природного газа, но и отработанного машинного масла из автомобильных двигателей или резиновых отходов и старых шин.
Малые энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания на газовом топливе (или газовых турбин), турбогенератора и котла-утилизатора для комбинированной выработки электроэнергии и тепла представляются реальной основой газовой энергетики. В тех случаях, когда необходимо только тепло (отопление, горячая вода), достаточно установить на чердаке здания небольшой полностью автоматизированный водогрейный котел.
Газовые трубы вместо тепломагистралей
Плотность потока энергии в газовой трубе, даже при невысоком давлении, в сто раз выше, чем в трубе с горячей водой. Уложенные до войны газовые трубы служат до сих пор. В то же время тепловые сети с водой, нагретой до 100...180oС, приходится менять каждые пять-десять лет из-за неустранимой коррозии металла в горячей и влажной среде. Поэтому одну и ту же энергию можно передать в газовой трубе десятикратно меньшего диаметра, кроме того, газовые сети многократно долговечнее.
Вместо тепловых магистралей диаметром около метра, которые хорошо знакомы жителям городов, газовая труба диаметром 100 миллиметров может быть проведена всюду практически без "травм" для окружающих сооружений.
Малые современные водогрейные котлы с полной конденсацией дымовых газов имеют КПД не ниже 90%. При нагреве воды для горячего водоснабжения от 10 до 100oС температура уходящих газов составляет всего 20...30oС. Рециркуляцией дымовых газов выбросы окислов азота снижаются до 30 частиц на миллион. Это лучше, чем при любых способах очистки, применяемых на больших электростанциях. Котлы полностью автоматизированы, они не требуют обслуживания кроме периодического осмотра.
На графике рис. p081 отражены результаты эксплуатации такого котла тепловой мощностью 300 кВт. Как видно из графиков, даже в трудном режиме малой нагрузки (20% от номинальной) достаточно рециркулировать 25% газов, чтобы добиться малых выбросов.
При такой же единичной мощности -- сотни киловатт можно решать и задачу снабжения электроэнергией. Здесь хорошим примером служат дизель-генераторы, поставляемые фирмой ABZ Aggregate-Bau GmbH (см. гл. 4.1). Дизельный двигатель на природном газе вращает синхронный генератор, дающий электроэнергию. Тепло охлаждения двигателя и выхлопных газов используется для отопления и горячего водоснабжения. Низкий уровень шума и малые выбросы окислов азота и других вредных газов приемлемы даже для условий города с особо высоким уровнем требований.
В жилых домах подобные агрегаты размещаются на верхнем этаже либо в подвале. Их возможный шум или вибрация меньше, чем от лифтовой машины или водяных насосов. Запуск и остановка проводятся автоматикой в соответствии с реальной нагрузкой. Никакой проблемы маневренности не возникает. При неисправности агрегата его не ремонтируют, а заменяют, привозя новый двигатель или генератор.
Эффективность малой энергетики по расходу топлива, несомненно, выше, чем при традиционном централизованном теплоснабжении от паротурбинных ТЭЦ. Дизельные двигатели имеют КПД около 42%, тогда как паротурбинные установки, даже самые совершенные -- не выше 39%. К тому же при доставке преобразованной энергии потребителю в тепловых сетях теряется в среднем не менее 10% энергии, тогда как в газовой таких потерь нет совсем.
Газ -- соперник бензина
Повсеместный рост количества автомобилей потребовал значительного увеличения объемов производства бензина. В качестве замены жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания широко используется природный газ.
Источники энергии
Серия "Информационное Издание", Выпуск 3
Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Неисправности в сетях и перебои подачи электроэнергии парализуют все виды деятельности. В сложившихся условиях потребителю самому следует принимать дополнительные меры по энергообеспечению и защите своего оборудования. В книге отражено сегодняшнее техническое состояние энергетики как отрасли, представлен обзор устройств для получения и преобразования электрической энергии.
Правильный выбор необходимого Вам устройства помогут осуществить приведенные в книге сравнительный анализ и оценки эффективности доступных для практического использования устройств (информация предоставлена представительствами фирм-производителей).
Оглавление
Введение
Глава 1. Энергетика вчера и сегодня
Глава 2. Химические источники тока
2.1. Стационарные аккумуляторы
2.1.1. Сепараторы
2.1.2. Электролит
2.2. Стационарные аккумуляторы VARTA
2.2.1. Типы пластин аккумуляторов
2.2.2. Материал положительного электрода
2.2.3. Герметизация
2.2.4. Проектирование батарейных установок
2.3. Стационарные аккумуляторы FIAMM
2.3.1. Общие характеристики
2.3.2. Конструкция
2.3.3. Режимы работы
2.4. Аккумуляторы Hawker Batteries Group
2.4.1. Аккумуляторы серии Powersafe
2.4.2. Аккумуляторы "Pure Lead Technology"
2.5. Топливные элементы
Глава 3. Системы бесперебойного электропитания
3.1. Классификация источников бесперебойного питания
3.1.1. Резервные ИБП (Off-Line)
3.1.2. ИБП с двойным преобразованием (On-Line)
3.2. ИБП Chloride Power Electronics
3.3. ИБП American Power Conversion
3.3.1. Второе и третье поколение ИБП APC
3.3.2. Выбор ИБП
3.3.3. Соединение приборов
3.3.4. Обслуживание и ремонт ИБП
3.4. ИБП Best Power
3.4.1. Нетрадиционные применения ИБП
3.4.2. Использование ИБП для оргтехники
3.5. Преобразовательная техника фирмы Benning
3.5.1. Выпрямители
3.5.2. Тиристорные выпрямители
3.5.3. Инверторы
3.5.4. Стабилизаторы и преобразователи постоянного напряжения
3.5.5. Управление устройствами электропитания
3.6. Преобразовательная техника фирмы Voigt & Haeffner
Глава 4. Автономные источники энергии
4.1. Дизель-генераторные установки фирмы ABZ Aggregate-Bau GmbH
4.1.1. Выбор способа управления агрегатом
4.1.2. Сферы применения дизель-агрегатов
4.2. Дизель-генераторы концерна SDMO
4.3. Солнечная энергия
4.3.1. Гелиоустановки на широте 60o
4.3.2. Гелиомобиль сегодня
4.3.3. Преобразователи солнечной энергии
4.3.4. Концентраторы солнечного света
4.3.5. Жилой дом с солнечным отоплением
4.4. Энергия ветра
4.4.1. Ветер
4.4.2. Упряжь для ветра
ВВЕДЕНИЕ
Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Производительность -- и, в конечном счете, прибыль -- в значительной степени зависит от стабильности подачи энергии. Наличие энергии -- одно из необходимых условий для решения практически любой задачи.
Получением, а правильнее сказать, преобразованием энергии лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в виде удобном для использования, а само получение -- только преобразование из одного вида в другой.
В предлагаемой книге ставилась цель представить сегодняшнее техническое состояние энергетики как отрасли и ассортимент источников и устройств преобразования электрической энергии, доступных для практического использования, от производителей присутствующих на нашем рынке. В приводимых примерах использован опыт разработок реальных проектов отечественных и зарубежных фирм (см. стр. 106).
Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Просчеты в этой области имеют серьезные последствия. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности -все это требует затрат энергии.
Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и газа, которые удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества (гл. 1).
Одной из важных проблем в энергетике, кроме получения энергии, является обеспечение возможностей ее хранения и транспортирования. Химические источники тока, известные более 100 лет, позволяют вырабатывать, хранить и преобразовывать энергию. Они являются непременными спутниками любых автономных источников энергии (гл. 2).
Наиболее универсальная форма энергии -- электричество. Оно вырабатывается на электростанциях и распределяется между потребителями посредством электрических сетей коммунальными службами. Прекращение подачи электроэнергии парализует все виды деятельности. Для того чтобы этого не произошло -- используются системы бесперебойного электропитания и автономные источники энергии (гл. 3 и 4).
Потребности в энергии продолжают постоянно расти. Наша цивилизация динамична. Любое развитие требует, прежде всего, энергетических затрат и при существующих формах национальных экономик многих государств можно ожидать возникновения серьезных энергетических проблем. Более того, в некоторых странах они уже существуют.
Даже если энергетического кризиса удастся избежать, мир, рано или поздно, неизбежно столкнется с тем, что основные виды традиционного топлива будут исчерпаны. Запасы нефти, газа, угля не бесконечны. Чем больше мы используем эти виды энергетического сырья, тем меньше их остается и тем дороже с каждым днем они нам обходятся.
Несмотря на то, что количество разведанных запасов некоторых энергетических ресурсов, например, нефти, возрастает, перед человечеством уже сегодня встает задача освоения неисчерпаемых источников энергии.
В течение следующего века начнется переход к другим источникам энергии, после чего человечество прочно встанет на путь создания неисчерпаемой системы снабжения энергией.
Поскольку, еще можно выбирать между различными источниками энергии решающее значение для выбора имеет стоимость энергии. В отличие от нефти сегодня в мире не существует каких-то единых цен на уголь. Его стоимость колеблется в зависимости от содержания тех или иных компонентов, возможности использования для определенных целей, условий транспортировки и т.д.
Что касается ядерной энергии, то здесь ситуация парадоксальна. Можно утверждать, что атомная энергетика возникла слишком рано и одновременно слишком поздно.
Если мы говорим "рано", то это означает, что ее использование еще не стало насущно необходимым, так как сегодня и в ближайшие десятилетия еще есть возможность пользоваться нефтью и газом. Во втором случае речь идет о том, что использование возможностей атомной энергетики не внесло существенного вклада в энергетику [1].
До настоящего времени работы по управляемому термоядерному синтезу не вышли из экспериментальной стадии. Поэтому на этот вид безграничных энергетических ресурсов пока рассчитывать не приходится.
Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем ее вырабатывается всеми электростанциями мира. Задача здесь состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы ее небольшое количество (гл. 4). Нельзя утверждать, что широкомасштабное использование солнечной энергии не будет иметь никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике.
Глава 1
ЭНЕРГЕТИКА ВЧЕРА И СЕГОДНЯ
На протяжении почти 80 лет электроэнергетика развивалась и функционировала как общенациональная монополия. Каждая республика бывшего Союза являлась интегрированной частью единой энергетической системы (ЕЭС). В 1991 году начался процесс децентрализации и дезинтеграции ЕЭС и электроэнергетики. Начался процесс реформирования отрасли, что привело к снижению качества и росту цен на электроэнергию.
В эпоху угольной и мазутной энергетики необходимо было получать электричество и тепло на крупных станциях, а затем передавать их потребителям находящимся на расстоянии. Такие системы были оправданы -- они возникли в те годы, когда основным источником энергии для страны был каменный уголь. Сжигать его трудно -- нужна сложная техника для размола. Кроме того, следовало располагать станции подальше от жилья.
Затем появились электростанции и котельные на мазуте. Но мазут -- это топливо доступное только для сжигания на крупных установках, причем, с обилием выделяемых токсичных газов в выбросах из дымовых труб.
Атомные электростанции наносят не меньший ущерб. Утилизация отработанного топлива ядерных реакторов и тепла, последствия радиоактивных выбросов и аварий -- неполный перечень недостатков "мирного атома".
Зачастую мы не можем в абсолютных единицах выразить ущерб, который всегда наносит любая тепло- или электростанция. Выбор вариантов развития энергетики разумен только в том случае, если сравниваются не только положительные, но и отрицательные факторы.
В кипении политических страстей частный вопрос об энергоснабжении страны отодвинулся на второй план. Многие считают, что этот вопрос их не касается. Но если представить реакцию населения замерзающего в темных квартирах -- энергетика опередит даже продовольственный вопрос.
Лозунг "Долой атомные электростанции" используют деятели всех мастей. "Зеленые" его применяют в прямом смысле. Противостоящие им апологеты (апологет -- тот, кто выступает с защитой какой-либо идеи) нынешних гигантских электростанций тоже любят этот лозунг, как пример очевидной некомпетентности и недальновидности "зеленых": "Посидят, дескать, в темноте -запоют иначе" [2].
Главные объекты дискуссий -- тепловые, гидравлические и атомные электростанции. Каждая из этих "фабрик электричества" имеет серьезные недостатки из которых на первое место выдвигается наносимый ими экологический ущерб.
Для понимания "что такое хорошо и что такое плохо" в энергетике необходимы критерии учитывающие необходимость продолжения хозяйственной деятельности человека и, наряду с этим, минимизирующие ущерб наносимый окружающей среде.
Основной вклад в загрязнение атмосферы углекислым газом вносят ТЭЦ, ГРЭС и автомобили. Атомные электростанции не выбрасывают углекислый газ, а потому "парниковый эффект" стал главным аргументом у сторонников атомной энергетики.
Достаточно большим энергетическим потенциалом обладают разведанные запасы газа. С экологической точки зрения у природного газа два недостатка: выбросы окислов азота и углекислого газа усиливающего парниковый эффект. При умелом сжигании газа, в парогазовых установках, окислов азота образуется немного (см. стр. 9), а выбросы углекислого газа примерно вдвое ниже, чем при использовании угля или нефти.
До того как мы научимся получать энергию в больших количествах из принципиально новых источников будут использоваться традиционные виды топлива. Поэтому разрабатываются новые месторождения и исследуются процессы, позволяющие эффективнее использовать энергию ископаемого топлива и уменьшить связанное с этим загрязнение окружающей среды.
В этой главе мы хотим показать, что нет оснований слепо верить тем, кто рисует наше будущее в мрачных тонах, кто постоянно твердит, что близится "конец света", что энергетический кризис и загрязнение окружающей среды в течение десятилетий угробят человечество.
Парниковый эффект
Опасность парникового эффекта человечество осознало сравнительно недавно [1]. Наряду с термическими процессами, происходящими внутри нашей планеты, большую часть энергии несет излучение солнца.
Температура излучающей поверхности Солнца около 6000oК. Падающая на Землю энергия переносится излучением с длиной волны от 0,2 до 2 мкм (кривая 1 на рис. p082). Излучаемая земной поверхностью, со средней температурой в 255oК, энергия распространяется в диапазоне длин волн от 2 до 100 мкм (кривая 2 на рис. p082).
Водяной пар атмосферы свободно пропускает прямое солнечное излучение и сравнительно слабо задерживает его отражение. Активное поглощение водой приходится на диапазон 4...7 мкм. На рис. p082 этот диапазон занимает узкий участок спектра (участок H2O кривой 2). Углекислый газ (СО2) поглощает излучение на частотах 13...19 мкм. Он задерживает отраженное тепло на участке кривой 2.
Таким образом, "углекислотное одеяло" повышает температуру планеты. Рост температуры коррелирует с ростом концентрации углекислого газа в атмосфере.
На рис. p083 показано изменение концентрации СО2, измеренное на Гавайских островах. Там нет промышленных центров, поэтому можно считать, что регистрировалась "общемировая" картина. Замеры за 25 лет показали, что с 1959 по 1984 год, количество углекислого газа в атмосфере возросло.
За десятилетие 1970...80 гг. повышение температуры земной поверхности составило 0,3oС. В последующие десятилетия прогнозировался рост температуры на несколько градусов. Реальное повышение температуры происходит несколько медленнее. Однако, в будущем потепление может стать причиной глобального экологического бедствия -- привести к таянию полярных льдов, повышению уровня и затоплению прибрежных территорий мирового океана. По предварительным оценкам таяние полярных "шапок" Земли приведет к повышению уровня мирового океана на 6 метров.
Топливные ресурсы Земли
После нефтяного кризиса 1973...74 годов в развитых странах серьезно задумались об экономии природного топлива. С той поры начался интенсивный поиск энергосберегающих технологий -конструирование экономичных двигателей, электростанций и пр.
В результате потребности в топливе а, соответственно и цены на него, не только стабилизировались, но даже снизились. Изменились, став более оптимистичными, прогнозы относительно природных топливных запасов.
К примеру, прогнозы не учитывают гигантские резервы газовых гидратов (газовые гидраты -- газы, связанные с водой в зонах вечной мерзлоты и на дне морей). Но даже если этот сырьевой источник не брать в расчет, то имеющихся ресурсов, при незначительном замещении нефти углем и газом, вполне достаточно, чтобы обеспечить уверенное энергетическое обеспечение человечества до конца следующего столетия. Так что в обозримом будущем природные ресурсы смогут успешно конкурировать как с еще только осваиваемым водородом, так и с синтетическими видами топлива. Цифры, приводимые на рис. p065, показывают в каком соотношении используется ископаемое топливо [3].
Имеющиеся в нашем распоряжении источники энергии мы используем в высшей степени нерационально. Человек вынужден неоднократно преобразовывать один вид энергии в другой пока окончательно ее не использует.
Каждое преобразование сопровождается потерями части энергии. На электростанциях из топлива получают тепловую энергию, используемую для производства пара. Пар, в свою очередь, приводит в движение турбины. Теперь уже механическая энергия, которая передается генераторам, преобразуется, в конечном счете, в электроэнергию. При использовании электронагревательных приборов полученная многократными преобразованиями и поэтому дорогая электрическая энергия превращается вновь в тепловую. В результате из всей получаемой энергии мы реально потребляем не более половины, остальная безвозвратно теряется.
Потери тепловой энергии на первой ступени не позволяют получить КПД выше 40%. Отработанное тепло попадает в водоемы и нарушает в них биологическое равновесие. Тепловые электростанции сжигающие уголь день и ночь выбрасывают в атмосферу тонны соединений углерода (ежегодно в атмосферу выбрасывается около шести миллиардов тонн углерода [3]) и серы. Последние вступают в химическую реакцию с влагой, содержащейся в воздухе, образуя кислоты разъедающие сталь и мрамор и, что намного хуже, разрушающие наши легкие.
В сравнении с традиционными паротурбинными электростанциями, ТЭЦ и котельными более эффективна газовая микроэнергетика. Малые установки позволяют вырабатывать необходимое количество энергии в соответствии с текущими потребностями в непосредственной близости от потребителя. Они обладают высокой надежностью и малоинерционны. Стоимость оборудования на киловатт мощности вдвое ниже, чем на крупных ТЭЦ.
Важное преимущество газовой микроэнергетики -маневренность. Изменить электрический режим можно за секунды, тепловой режим -- за минуты, вместо многих часов изменения режима в обычных тепловых сетях. Практическая нерегулируемость сегодняшних тепловых источников с длинными сетями приводит к перерасходу энергии: когда зимой потеплеет и мы открываем окна, выбрасывая избыток тепла на улицу.
Отметим еще одну деталь: за все потери в энергетике, в конечном счете, платит потребитель.
Нефть -- источник энергии и сырья
Долгое время нефть не находила применения как топливо и сырье. Только в начале ХIХ века из "земляного масла", как ее тогда называли, стали выделять очищенные продукты. Прежде всего, научились получать керосин и бензин. Керосин нашел применение сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензина оказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эта легковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходов нефти.
Бензина с каждым годом становилось все больше и от него все труднее было избавляться. К началу ХХ века вес уничтожаемого бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год. Объявлялись конкурсы -- кто найдет лучший способ уничтожения отходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания открыло реальную область применения бензина [4].
Нефть содержит до 50% мазута, который также не находил применения. В настоящее время из него изготавливают смазки и сжигают в специально разработанных топках котлов.
Месторождения нефти на материках, которые могут быть освоены отработанными методами, давно и хорошо известны. Их эксплуатация идет полным ходом.
На протяжении многих лет специально оборудованные суда, ведущие разведку нефти, тщательно исследуют морское дно. Геологи связывают свои надежды, прежде всего, с шельфом (шельф [англ. shelf] -- подводное продолжение материка, до глубины 200 м) -- дном мелководных морей, омывающих все без исключения части света.
В морях, которые глубоко вдаются в материки, шельфовые зоны сравнительно велики, поскольку вокруг лежит суша. Берега в таких местах, как правило, омываются мелководьем.
Наиболее перспективное шельфовое море -- Северное. Сейсмическое зондирование и контрольное бурение показало, что под его дном находятся несколько десятков нефтяных месторождений. Согласно оценкам, суммарные разведанные запасы нефти в Северном море достигают 1,5 млрд. т. Это в семь раз превышает запасы нефти на Европейском континенте.
Специалисты полагают, что до сих пор разведана около 1/3 нефти. Кроме нефти под дном Северного моря обнаружено около 50 газоносных месторождений.
В связи с этим становится понятной дальновидность построения морских терминалов, например, в Одессе. Нефть нужно переработать. При этом получают не только топливо, но и сырье.
Газификация угля
Кроме непосредственного сжигания уголь может использоваться как сырье для получения синтетического газа. Первые опыты по газификации угля относятся к концу ХVIII века. В 1782 году Ф. Фонтана сообщил о наблюдавшейся им реакции образования "горючего газа" при пропускании водяного пара через раскаленный уголь.
Опыты по получению газа для освещения проводились в Англии в начале ХIХ века. В 1831 г. Дж. Лоу предложил сжигать уголь в атмосфере воздуха, а затем газифицировать пропуская через него водяной пар. В 1840 г. был построен первый газогенератор. В 1854 г. -- зарегистрирован первый патент на технологию газификации угля в промышленных масштабах.
Рост доли промышленного использования в энергетике нефти и природного газа сделал процессы газификации угля конкурентоспособными. Энергетические компании снова обратили на него внимание в период энергетического кризиса 1973...74 гг.
Производительные технологии разработаны в начале ХХ века. Известен метод газификации угольной пыли, предложенный Винклером, в начале 20-х годов. Фирма "Лугри" разработала технологию получения газа, обладающего высокой теплотворной способностью, с использованием кислорода и водяного пара под давлением.
С точки зрения экологии любые виды газификации угля только увеличивают вредные выбросы. При сжигании выбросы окислов серы и азота остаются велики даже при очень дорогостоящих очистных сооружениях, а выбросы основного продукта сгорания -углекислого газа -- неустранимы.
Если теплоэлектростанции наряду с уловителями золы и очисткой сточных вод оборудуются установками для серо- и азотоочистки, то они, безусловно, дорожают. Расчеты показывают, что энергия угольных ТЭЦ обойдется вдвое дороже газовых.
Таким образом, представляется, что для энергоснабжения экономичнее использовать природный газ.
Газовая микроэнергетика
Газ -- наиболее эффективный вид топлива. Природный и попутный горючий газ состоит из углеводородов с примесью азота, углекислого газа, сероводорода и в небольших количествах аргона и гелия. В его состав входит 40...80% метана и пропана, 20...60% бутана, пентана и высших углеводородов, а теплотворная способность достигает 4,19 кДж/кг.
Газ как топливо создает единственную экологическую опасность -- токсичные окислы азота в продуктах горения. В малых котлах их образуется в пять раз меньше (на единицу вырабатываемой энергии), чем в больших. Кроме того, существуют хорошо проверенные простые методы дальнейшего снижения окислов азота в выбросах путем подмешивания части дымовых газов к входящему воздуху, то есть с рециркуляцией или дожиганием.
Дожигатель монтируется на любую горелку и обеспечивает медленное, с многократной рециркуляцией, вихревое движение горящих газов дающее полное сгорание -- без сажи и при минимальных количествах окислов азота. Этот метод используется при сжигании не только природного газа, но и отработанного машинного масла из автомобильных двигателей или резиновых отходов и старых шин.
Малые энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания на газовом топливе (или газовых турбин), турбогенератора и котла-утилизатора для комбинированной выработки электроэнергии и тепла представляются реальной основой газовой энергетики. В тех случаях, когда необходимо только тепло (отопление, горячая вода), достаточно установить на чердаке здания небольшой полностью автоматизированный водогрейный котел.
Газовые трубы вместо тепломагистралей
Плотность потока энергии в газовой трубе, даже при невысоком давлении, в сто раз выше, чем в трубе с горячей водой. Уложенные до войны газовые трубы служат до сих пор. В то же время тепловые сети с водой, нагретой до 100...180oС, приходится менять каждые пять-десять лет из-за неустранимой коррозии металла в горячей и влажной среде. Поэтому одну и ту же энергию можно передать в газовой трубе десятикратно меньшего диаметра, кроме того, газовые сети многократно долговечнее.
Вместо тепловых магистралей диаметром около метра, которые хорошо знакомы жителям городов, газовая труба диаметром 100 миллиметров может быть проведена всюду практически без "травм" для окружающих сооружений.
Малые современные водогрейные котлы с полной конденсацией дымовых газов имеют КПД не ниже 90%. При нагреве воды для горячего водоснабжения от 10 до 100oС температура уходящих газов составляет всего 20...30oС. Рециркуляцией дымовых газов выбросы окислов азота снижаются до 30 частиц на миллион. Это лучше, чем при любых способах очистки, применяемых на больших электростанциях. Котлы полностью автоматизированы, они не требуют обслуживания кроме периодического осмотра.
На графике рис. p081 отражены результаты эксплуатации такого котла тепловой мощностью 300 кВт. Как видно из графиков, даже в трудном режиме малой нагрузки (20% от номинальной) достаточно рециркулировать 25% газов, чтобы добиться малых выбросов.
При такой же единичной мощности -- сотни киловатт можно решать и задачу снабжения электроэнергией. Здесь хорошим примером служат дизель-генераторы, поставляемые фирмой ABZ Aggregate-Bau GmbH (см. гл. 4.1). Дизельный двигатель на природном газе вращает синхронный генератор, дающий электроэнергию. Тепло охлаждения двигателя и выхлопных газов используется для отопления и горячего водоснабжения. Низкий уровень шума и малые выбросы окислов азота и других вредных газов приемлемы даже для условий города с особо высоким уровнем требований.
В жилых домах подобные агрегаты размещаются на верхнем этаже либо в подвале. Их возможный шум или вибрация меньше, чем от лифтовой машины или водяных насосов. Запуск и остановка проводятся автоматикой в соответствии с реальной нагрузкой. Никакой проблемы маневренности не возникает. При неисправности агрегата его не ремонтируют, а заменяют, привозя новый двигатель или генератор.
Эффективность малой энергетики по расходу топлива, несомненно, выше, чем при традиционном централизованном теплоснабжении от паротурбинных ТЭЦ. Дизельные двигатели имеют КПД около 42%, тогда как паротурбинные установки, даже самые совершенные -- не выше 39%. К тому же при доставке преобразованной энергии потребителю в тепловых сетях теряется в среднем не менее 10% энергии, тогда как в газовой таких потерь нет совсем.
Газ -- соперник бензина
Повсеместный рост количества автомобилей потребовал значительного увеличения объемов производства бензина. В качестве замены жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания широко используется природный газ.