«Виробництво електричної енергії» для студентів спеціальності 6

Вид материалаДокументы

Содержание


Гетероге́ний я́дерний реа́ктор
Гомоге́ний я́дерний реа́ктор
Водо-Водяний ядерний реактор
Приклади водо-водяних реакторів
Активація води
3. Улаштування й принцип дії реактора на теплових нейтронах.
8. Гетероге́ний і гомоге́ний я́дерний реа́кторВодо-водяний ядерний реактор марки ВВЕР
Особенности ветроприемных устройств с горизонтальной осью вращения
2. Як визначається потужність вітрового потоку?
Безмашинні сонячні електричні перетворювачі
1. Сонячна теплоенергетика
Рис. 3. Схема сонячного колектора (поперечний розріз)
Рис. 4. Схема побутової геліосистеми
2. Сонячна теплоелектроенергетика
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8

Гетероге́ний я́дерний реа́ктор — реактор, у якому ядерне пальне конструктивне відділене від сповільнювача й інших елементів активної зони.

Основна ознака гетерогенного реактора — наявність тепловиділяючих елементів (Твелів). Твели можуть мати різну форму (стрижні, пластини і т.д.), але завжди існує чітка границя між пальним, сповільнювачем, теплоносієм і т.д.

Переважна більшість використовуваних сьогодні реакторів — гетерогенні, що обумовлене їхніми конструктивними перевагами, у порівнянні з гомогенними реакторами.

Гомоге́ний я́дерний реа́ктор — ядерний реактор, активна зона якого являє собою гомогенну суміш ядерного пального зі сповільнювачем.

Основна відмінність гомогенного реактора від гетерогенного — відсутність тепловиділяючих елементів; ядерне пальне перебуває в активній зоні ректора у вигляді гомогенної суміші, до яких віднояться розчини солей урану, суспензії окислів урану в легкій і важкій воді, твердий сповільнювач, просочений ураном, розплавлені солі. Відомі варіанти гомогенних реакторів з газоподібним пальним (газоподібні з'єднання урану) або суспензією уранового пилу в газі.

Тепло, виділюване в активній зоні, приділяється теплоносієм (водою, газом і т.д.), що рухаються по трубах через активну зону, або суміш пального зі сповільнювачем сама служить теплоносієм, що циркулюють через теплообмінники.

Гомогенні реактори не знайшли широкого застосування внаслідок високої корозії конструкційних матеріалів у рідкому паливі, складності конструкції реакторів на твердих гомогенних сумішах, більших завантажень слабозбагаченого уранового палива й інших причин.

___________________________________________________________________________


Водо-Водяний ядерний реактор — реактор, що використовує в якості сповільнювача й теплоносія звичайну воду. На атомних електростанціях Росії й деяких інших країн широко застосовуються реактори марки ВВЕР, що працюють за цією схемою.

Конструкція



Пристрій реактора ВВЕР-1000: 1 — привод СУЗ; 2 — кришка реактора; 3 — корпус реактора; 4 — блок захисних труб (БЗТ); 5 — шахта; 6 — вигородка активної зони; 7 — паливні складання (ТВС) стрижні, що регулюють.

Активна зона водо-водяного реактора набрана з тепловиділяючих складань, заповнених пластинчастими або циліндричними тепловиділяючими елементами. Корпус тепловиділяючого складання виготовляють із листового матеріалу (алюмінію, цирконію), що слабко поглинає нейтрони. Складання розміщають у циліндричній клітці, яка разом зі складаннями міститься в корпус реактора. Кільцевий простір між ним і зовнішньою стінкою клітки, заповнене водою, виконує роль відбивача. Вода, проходячи знизу нагору через зазори між тепловиділяючими елементами, прохолоджує їх. Таким чином, вона виконує роль теплоносія, сповільнювача й відбивача. Корпус реактора розраховується на міцність, виходячи з тиску води. Горловина корпуса закривається герметичною кришкою, яка знімається при завантаженні й вивантаженню тепловиділяючих складань.

У фізичних водо-водяних реакторах звичайно використовують воду під атмосферним тиском. Корпуса таких реакторів герметичної кришки не мають, і вода в них перебуває під атмосферним тиском (має відкритий рівень).

Енергетичні водо-водяні реактори ( зокрема, ВВЕР) повинні працювати з використанням води під тиском. Застосування води як теплоносія й сповільнювача визначає ряд специфічних особливостей реакторів. Тому звичайно ці реактори виділяються в самостійну групу й іменуються реакторами, охолоджуваними водою під тиском.

Приклади водо-водяних реакторів:

- ВВЕР (СРСР, Росія)

- PWR (Вестингауз,США)

- EPR (AREVA, Франція — Німеччина)


Особливості використання води

Переваги:

1.Використання води як теплоносія й теплоносія-сповільнювача в ядерних установках має ряд переваг.

2. Технологія виготовлення таких реакторів добре вивчена й відпрацьована.

3. Вода, володіючи гарними теплопередавальними властивостями, відносно просто й з малими витратами потужності перекачується насосами. ( При однакових умовах коефіцієнт теплопередачі для важкої води на 10% більше в порівнянні з коефіцієнтом теплопередачі для легкої води.)

4. Використання води як теплоносія дозволяє здійснити безпосередню генерацію пари в реакторі (киплячі реактори). Легка вода використовується також для організації пароводяного циклу у вторинному контурі.

5. Незаймистість і неможливість затвердіння води спрощує проблему експлуатації реактора й допоміжного устаткування.

6. Звичайна химзнесоленаявода дешева.

7. Використання води забезпечує безпека експлуатації реактора.

8. У реакторах з водяним теплоносієм-сповільнювачем при відповідній конструкції активної зони можна досягтися негативного температурного коефіцієнта реактивності, що охороняє реактор від довільного розгону потужності.

9. Дозволяє створювати блоки потужністю до 1600 Мвт (обмежується можливістю транспортування корпуса реактора по залізниці).

Недоліки:

1. Вода взаємодіє з ураном і його з'єднаннями ( підвергає корозії) при аварійних ситуаціях елементи, тому тепловиділяючі, повинні забезпечуватися антикорозійними покриттями (звичайно цирконій). При підвищених температурах води конструкційні матеріали також повинні підбиратися з досить гарними антикорозійними властивостями, або повинен вестися спеціальний водно-хімічний режим, що зв'язує кисень, що утворюється у воді при її радіолізі. Особливо необхідно відзначити високу інтенсивність корозії багатьох металів у воді при температурі вище 300°С.

2. Проблема добору корозійно-стійких матеріалів ускладнюється необхідністю мати високий тиск води при підвищених температурах. Необхідність мати високий тиск у реакторі ускладнює конструкцію корпуса реактора і його окремих вузлів.

3. Можливість аварії з течею теплоносія, і необхідність засобів її, що компенсують.

4. Вартість важкої води велика (Актуально тільки для реакторів на важкій воді типу CANDU, у СРСР такі реактори не будували). Це вимагає відомості витоку води й втрат її до мінімуму, що ускладнює конструкцію енергетичного устаткування й експлуатацію установки.

Активація води

Важливою проблемою при використанні води для охолодження реакторів є наведена активність, яка визначається активацією атомів кисню й продуктів корозії встаткування 1-го контуру. Активність властиво самої води визначається активністю ізотопу кисню-16, період напіврозпаду якого становить ~ 15 годин, у такий спосіб через 2-4 дня після зупинки реактора радіоактивність теплоносія 1-го контуру спадає в сотні раз, і визначається тільки активністю продуктів корозії, які вилучаються з води на звичайних іонообмінних фільтрах. Очищена в такий спосіб вода накопичується в баках запасу чистого конденсату й використовується для потреб турбінного відділення.


Контрольні питання

1. Що таке АЕС та як смороду класифікуються по типу реакторів.

2. Класифікація ядерних реакторів.

3. Улаштування й принцип дії реактора на теплових нейтронах.

4. Випалювання та поновлювання ядерного палива.

5. Керування ядерним реактором.

6. Реактор на проміжних нейтронах

7. Реактор зі змішаним спектром

8. Гетероге́ний і гомоге́ний я́дерний реа́кторВодо-водяний ядерний реактор марки ВВЕР

10. Особливості використання води в ядерних реакторах.


Лабораторна робота № 5

Тема: Конструкції вітродвигунів та вітряних електростанцій.

Мета роботи: вивчити конструктивне виконання та принцип дії вітродвигунів та вітряних електростанцій.

Вітроенергетика

Сила вітру — це одне з найдавніших використовуваних людством джерел енергії, яке, безперечно, є одним з найбільш економічних. Мореплавці використовували силу вітру для морських подорожей під вітрилами ще за 3500 років до нової ери. Прості вітряні млини були широко поширено в Китаї 2200 років тому. На Середньому Сході, у Персії, близько 200 року до н.е. почали використовувати вітряні млини з вертикальною віссю для перемелювання зерна. Перші перські вітряні млини виготовлялися з в'язок очерету, які кріпилися до дерев'яної рами, яка поверталася, якщо дул вітер; стіна навколо вітряного млина направляла потік вітру на лопаті.

В XI сторіччі в Європі почали поширюватися вітряні млини, які завозилися мандрівними купцями й лицарями із хрестових походів. Ці перші млини постійно удосконалювалися, спочатку голландцями, потім англійцями, і, нарешті, з'явилися конструкції з горизонтальною віссю. Жителі Голландії виявили, що вітром дуже зручно користуватися для відкачування води, щоб осушити землю, що для цієї країни, розташованої в низинах і тому страждаючої від повеней, дуже актуально. Найбільше активно в доіндустріальній Європі вітряні млини використовувалися в XVIII сторіччі, в одній Голландії їх було понад ста тисяч. З їхньою допомогою мололи зерно, качали воду, і пиляли дрова. Згодом більшість вітряних млинів, нездатних конкурувати з дешевим і надійним викопним паливом, було замінено паровими двигунами. Однак і сьогодні вітряні млини використовуються досить широко.

Що ж таке енергія вітру? Частина сонячної енергії, яка досягає зовнішніх шарів земної атмосфери, перетворюється в кінетичну енергію часточок повітря, які рухаються, тобто вітер. Кінетична енергія вітрового потоку становить

,

де: m - маса повітря, що рухається, кг;

V-Швидкість вітру, м/с.

Енергія вітру має ряд специфічних особливостей: малу концентрацію, віднесену до одиниці об'єму повітряного потоку; випадковий характер зміни швидкості. З іншого боку, повсюдне поширення цього джерела енергії, досить зроблені технічні засоби вітроенергетики і їх економічна ефективність дозволяють розглядати його як доповнення до "великої" енергетики, насамперед для забезпечення енергією споживачів у важкодоступних районах, віддалених від джерела централізованого енергопостачання.

Потужність вітрового потоку визначається як



де р — щільність повітря, кг/м ;

F — площа, яку перетинає вітровий потік, м ;

V — швидкість вітру, м/с.

Вітрове колесо, поміщене в потоці повітря, може в найкращому разі теоретично перетворювати в потужність на його валу 16/27 = 0,59 (критерій Бетца) потужності потоку повітря, яке проходить через площу перетину, охоплюваний вітровим колесом. Цей коефіцієнт можна назвати теоретичним кп.буд. ідеального вітрового колеса. Насправді ккд. нижче й досягає для найкращих вітрових коліс приблизно 0,45. Це значить, наприклад, що вітрове колесо з довжиною лопати 10 м при швидкості вітру 10 м/с у найкращому випадку може мати потужність на валу 85 кВт.

Існують дві принципово різні конструкції вітроустановок: з горизонтальною й вертикальною віссю обертання. Більш розповсюджені вітроустановки з горизонтальною віссю (мал. 9).

Основними елементами вітроенергетичних установок є вітроприймадьний пристрій (лопаті), редуктор передачі крутного моменту до електрогенератора, електрогенератор і вежа. Вітроприймальний пристрій разом з редуктором передачі крутильного моменту становить вітровий двигун. Завдяки спеціальній конфігурації вітроприймального пристрою в повітряному потоці виникають несиметричні сили, які створюють крутний момент.



Рис. 9 Принципова схема вітроустановки з горизонтальною

Залежно від потужності генератора вітроустановки діляться на класи, їх параметри й призначення наведені в табл. 3.

Вітроенергетичні установки з вертикальною віссю обертання мають переваги перед установками з горизонтальною віссю, які засновані, насамперед, на тому, що зникає необхідність у пристроях для орієнтації на вітер, спрощується конструкція й знижуються гіроскопічні навантаження, які визначають додаткова напруга в лопатах, системі передач і інших елементах установки.


Таблиця 3. Класифікація вітроустановок

Клас

Призначення установки

Потужність установки, кВт

Діаметр колеса м

Кількість лопатей

Малої потужності


Середньої потужності


Великий потужності

Зарядка акумуляторів, насоси, побутові потреби

Енергетика


Енергетика

15-50


100-600


1000-4000

3-10


25-44


>45

3-2


3-2


2

Різновидом вітроустановок з вертикальною віссю є так звана вітрова гребля, де сконцентрований повітряний потік направляється на установку за допомогою напрямних у вигляді лісосмуг, штучних перегородок у вигляді панелей, надувних конструкцій, солом'яних блоків і т.п. Схема вітрової греблі наведена на мал. 10.




Рис.10. Вітрова гребля


Строк окупності вітроенергетичної установки, залежно від місцевості, забезпеченості комунікаціями, потужності установки й т.п. становить від 3 до 8 років.


ОСОБЕННОСТИ ВЕТРОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ


Прямое набегание пoтока. Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность — отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.


Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей; от однолопастных устройств с контргрузами до многолопастных (с числом лапастей до 50 н более). Для снижения изгибающих нагрузок у корпя лопастям часто придают сужающуюся к периферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т. е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется только при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используются для этой цели хвостовые оперения, у больших — сервосистемы.


Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.


Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.

Современный вариант старинного ветроколеса с парусными лопастями, сконструированный в Принстонском университете из металлических труб и обшивки, имеет форму, близкую к форме воздушного винта, и называется иногда парусным крылом. Оно имеет жесткую трубчатую переднюю кромку, на которой закреплены короткие рейки по форме концевой и корневой хорд. Между их свободными концами натянут трос, который служит задней кромкой лопасти.


Поверхности лопастей обычно состоят из свернутого в рулон паруса, который скользит над трубчатой передней кромкой и тросом и растягивается при натяжении троса. Аэродинамическое качество парусного крыла примерно такое же, как и у обычных жестких лопастей воздушного винта, а масса меньше примерно на 50%. Размеры парусного крыла ограничиваются допускаемыми напряжениями в материале; его диаметр не превышает 9 м.

Различные типы ветродвигателей с горизонтальной осью вращения выполняют также со встречным вращением ветроколес.

Известны многоветряковые установки, которые монтируются на одной башне с целью снижения доли ее стоимости для ветроустановки с данной мощностью. Применяются входные сужающиеся конусообразные устройства для увеличения скорости потока, попадающего на ветроколесо, и снижения степени турбулентности, используются устройства с закручиванием потока около ветроколеса для увеличения его угловой скорости. Из рис. 1.4 видно, как установленная мощность Руст, развиваемая ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит от его размеров.


Перпендикулярное направление действия ветра па установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также требует применения систем ориентации и сравнительно сложных способов съема мощности, что приводит к потере их эффективности. Они не имеют существенных преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.



Рис. 11. Типовое семейство ветродвигателей с горизонтальной осью вращения при среднегодовой скорости ветра. 7,6 м/c: 1 — на территории, удаленной от побережья; 2 — на побережье (D — диаметр ветроколеса, м).


Типы ветроприемных устройств



Рис. 12. Типы ветроприемных устройств;

а — с горизонтальной осью вращения: 1 — однолопастное ветроколесо; 2 — двухлопастное; 3— трехлопастное; 4— многолопастное; 5 —многолопастное велосипедного типа; 6—барабанное; 7 — ветроколесо, направленное навстречу потоку; 8—ветроколесо, расположенное по потоку (за башней); 9 — ветроколесо с пневматической передачей мощности; 10 — парусное крыло; 11 — ветроколесо с диффузором; 12 — ветроколесо с концентратором энергии; 13— многоветряковое с несколькими ветроколесами; 14 — ветроколеса встречного вращения; 15— ротор Савоннуса; 16 — ветроколесо, использующее энергию свободных вихрей; 6 —с вертикальной осью вращения с использованием силы сопротивления: 1 — ротор Савоииуса;. 2 — ротор Савоннуса многолопастный; 3 — ротор пластинчатый; 4 — ротор чашечный; в — с вертикальной осью вращения с использованием подъемной силы: 5 — ротор Дарье 0-образный; 6 — ротор Дарье Д-образный; 7—-ротор с прямыми крыловыми лопастями (Giromill); 8 — ветротурбина; г —с вертикальной осью вращения комбинированного типа; 9 — роторы Дарье 0-образиый и Савоииуса; 10—ротор Савоннуса щелевой: 11 — ротор с использованием эффекта Магнуса; 12— с несущими поверхностями; д — с вертикальной осью вращения других типов: 13 — ветроколесо с дефлекторным устройством; 14 — солнечно-ветровое устройство; 15 — ветроколесо с турбиной Вентури; 16 — ветроколесо с вихревым устройством.

______________________________________________________________


Супермощные ветровые турбины


Компания Clipper Windpower в сотрудничестве с BP Alternative Energy объявила о возведении поля из 2020 ветровых турбин Clipper Liberty, каждая мощностью 2,5 мегаватта.




Рис. 13 Супермощная ветровая турбина Clipper Liberty, мощностью 2,5 мегаватта.

Контрольні питання

1. Історія використання енергії вітру людством. Що таке енергія вітру?

2. Як визначається потужність вітрового потоку?

3. Назвіть основні елементи вітроенергетичних установок та їх призначення.

4. Які особливості мають вітроприймальні пристрої з горизонтальною віссю обертанню?

5. Назвіть типи витроприймальних пристроїв.

6. Назвіть основні елементи гондоли надпотужної вітротурбіни Clipper Liberty.


Лабораторна робота № 6

Тема: Безмашинні сонячні електричні перетворювачі,

геліоконцентратори та геліоелектростанції.

Мета роботи: вивчити конструктивне виконання та принцип дії сонячних електричних перетворювачів, геліоконцентраторів та геліоелектростанцій.


Геліоенергетика

Сонце — гігантський "термоядерний реактор", який працює на водні й щосекунди шляхом плавлення переробляє 564 млн. тонн водню на 560 млн. тонн гелію. Втрата чотирьох мільйонів тонн маси рівняється 91 -109 ГВтч енергії (1 ГВт рівняється 1 млн. кВт). За одну секунду виробляється енергії більше, чим шість мільярдів АЕС змогли б виробити за рік. Завдяки захисній оболонці атмосфери лише частина цієї енергії досягає поверхні Землі.

1. Сонячна теплоенергетика

У цей час сонячна енергія найбільше широко використовується для виробництва низкопотенційного сонячного тепла за допомогою найпростіших плоских сонячних колекторів. Дія сонячного колектора, схема якого наведена на мал. 3, базується на явищі "парникового ефекту" для нагрівання робочої рідини. Рідина в сонячному колекторі повинна бути морозостійкою й нетоксичною. Звичайно використовується вода з 40 %-ним розчиненим гликолем (може витримувати -20°С), яка має колір і запах, щоб у випадку її влучення в питну воду можна було легко визначити її наявність.



Рис. 3. Схема сонячного колектора (поперечний розріз)

Найпоширеніше використання сонячної енергії — це пряме нагрівання води для опалення будинків і гарячого водопостачання.

Серед подібних установок найбільше широко розповсюджені установки нагрівання води термосифонного типу, у яких циркуляція відбувається за рахунок природньої різниці щільності нагрітої й холодної води. Циркуляційний ефект підсилюється при наявності паротворення в контурі. Для забезпечення циркуляції води можуть використовуватися насоси, однак термосифонна система має та перевага, що швидкість циркуляції в ній автоматично регулюється у випадку зміни умов обігріву.

На мал. 4 наведена схема будинкової геліоустановки для родини з 4-5 людей. Площина колекторів становить 4-6 м, продуктивність системи- 200 л гарячої води в день, бак-накопичувач (бойлер) має ємність 280 л. У схемі передбачається водонагрівальний казан, який гріє воду за рахунок електричної енергії або якого-небудь виду палива у випадку недоліку сонячної енергії.




Рис. 4. Схема побутової геліосистеми

У більшості наявних установок середньорічний експлуатаційний ККД колектора перебуває на рівні 40-50%. Це означає, що для широт близько 30° з 1 м колектора можна одержати 3-5 ГДж теплоти в рік з температурою 60-70°С. Вартість цієї теплоти, якщо термін служби установки приблизно 30 років, становить 3-4 $/Гдж, як і для централізованих систем опалення й гарячого водопостачання.

Для більш високих широт сонячні водонагрівачі використовуються в більшості випадків як сезонні.На сьогодні у світі працює понад 2 млн. систем гарячого водопостачання. Найбільшу сумарну площу сонячних колекторів мають: США- 10 млн. м2; Японія - 8 млн. м2 ; Ізраїль -1,7 млн. м2.

Австрія - 1,0 млн. м2 або 12 м2 на 1000 людей населення. В Україні встановлене приблизно 10 тис. м2 сонячних колекторів. Державною програмою енергетичного забезпечення народного господарства України до 2010 року передбачені спорудження сонячних колекторів загальною площею до 10 млн. м2, що забезпечить економію до 1,5 млн. т. умовного палива.

Крім колекторів, щоб використовувати сонячне тепло для опалення будинків, прибігають до пасивних методів, заснованих на оптимізації архітектурно-планувальних розв'язків. У пасивних системах поглинання й акумулювання сонячної енергії відбувається безпосередньо елементами будівельних конструкцій будинків.

2. Сонячна теплоелектроенергетика

Електроенергію за рахунок використання сонячної енергії можна одержати в теплосилових установках, у яких теплота згоряння палива заміняється потоком концентрованого сонячного випромінювання. Принципова схема побудови енергетичних геліоустановок наведена на мал. 5.



Рис. 5. Принципова схема геліоенергетичної установки



Рис.6. Принципова схема паросилової сонячної електростанції

Робочим тілом у колекторах служить вода або водно-спиртової розчин у зимовий період. Ефективність використання падаючого на приймач випромінювання становить від 20 до 35 %, вироблена електроенергія становить від 10 % до 30 % ефективно падаючого випромінювання.

Сама більша сонячна електростанція потужністю 10 Мвт була побудована в штаті Каліфорнія (США). Більшість із подібних сонячних електростанцій передбачає однаковий принцип дії: поле розміщених на рівному майданчику землі дзеркал-геліостатів, які "стежать" за сонцем, відбивають сонячні промені на приймач-ресивер, установлений на досить високій вежі. Ресивер — це сонячний казан, у якім виробляється водяна пара середніх параметрів, що направляється потім у стандартну парову турбіну. Принципова схема такої установки наведена на мал. 6.