Ветроэнергетическая установка (ВЭУ)

   У энергии ветра  есть несколько существенных  недостатков, которые затрудняют  ее использование, но отнюдь не уменьшают ее главного преимущества - экологической чистоты. Она сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимы ветроэнергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. Ветер очень непредсказуем - часто меняет направление, вдруг затихает даже в самых ветреных районах земного шара, а иногда достигает такой силы, что ломает ветряки. Ветроэнергостанции не безвредны: они мешают полетам птиц и насекомых, шумят, отражают радиоволны вращающимися лопастями. Но, как мы увидим дальше эти недостатки можно уменьшить, а то и вовсе свести на нет.

   В настоящее время  разработаны ветроэнергоустановки, способные эффективно работать  при самом слабом ветре. Шаг  лопасти винта автоматически  регулируется таким образом, чтобы  постоянно обеспечивалось максимально  возможное использование энергии  ветра, а при слишком большой  скорости ветра лопасть столь  же автоматически переводится  во флюгерное положение, так  что авария исключается.

   Разработаны и  действуют так называемые циклонные  электростанции мощностью до  ста тысяч киловатт, где теплый  воздух, поднимаясь в специальной  15-метровой башне и смешиваясь  с циркулирующим воздушным потоком,  создает искусственный “циклон”, который вращает турбину. Такие  установки намного эффективнее  и солнечных батарей и обычных ветряков.

   Чтобы компенсировать  изменчивость ветра, сооружают  огромные “ветряные фермы”. Ветряки  при этом стоят рядами на  обширном пространстве, потому что  их нельзя ставить слишком  тесно - иначе они будут загораживать  друг друга. Такие “фермы”  есть в США, во Франции, в  Англии, но они занимают много  места; в Дании “ветряную ферму”  разместили на прибрежном мелководье  Северного моря, где она никому не мешают, и ветер устойчивее, чем на суше.

   Положительный пример  по использованию энергии ветра  показали Нидерланды и Швеция, которая приняла решение на  протяжении 90-х годов построить  и разместить в наиболее удобных  местах 54 тысячи высокоэффективных  энергоустановок. В мире сейчас  работает более 30 тысяч ветроустановок  разной мощности. Германия получает  от ветра 10% своей электроэнергии, а всей Западной Европе ветер  дает 2500 МВт электроэнергии.                                

Энергия ветра - это косвенная  форма солнечной энергии, являющаяся следствием разности температур в атмосфере  земли. В 80-е гг. стоимость 1 кВт*ч  ветровой энергии была снижена на 70% и теперь составляет 6 - 8 центов, что  делает ее конкурентоспособной по отношению  к энергии, получаемой на новых тепловых электростанциях, сжигающих уголь. Специалисты уверены, что ветряные турбины скоро будут усовершенствованы  и станут эффективными. Так, Соединенные  Штаты Америки к 2030 г. смогут получать 10 - 20% электроэнергии за счет данного  источника.  

Ветроэнергия при скоростях  более 5 м/сек используется для выработки  электроэнергии.  

В России осваивается производство ветроэнергетических систем, состоящих  из 10—15 установок мощностью до 1—2 МВт. Общие запасы ветроэнергии на территории России огромны, но пока из-за низкого  КПД (0,25-0,7) и большой металлоемкости (до 500 кг/кВт) ветроустановки неконкурентоспособны с традиционными источниками. 

Национальные программы  освоения энергии ветра развернуты в Канаде, ФРГ, США, Франции, Швеции и  других странах.  

Преобразование энергии  ветра в электричество составило  в 80-е годы в мировом масштабе 1660 МВт, причем 85 % этой энергии было произведено в штате Калифорния, США. В частности, в районе калифорнийского  города Алтамаунт-Пасс на принадлежащем  фирме «Pasific Gas and Electric» комплексе действует 7500 ветроустановок, причем стоимость вырабатываемой ими электроэнергии составляет 7 центов/кВт-ч (на современных ТЭС она составляет 5 центов/кВт-ч). При этом в установках Алтамаунт-Пасс применяются конструктивные и технологические решения большой давности, исключая использование композиционных материалов при производстве лопастей ветроагрегатов и микропроцессоров для контроля за работой генераторов. Их высокая эффективность была достигнута благодаря быстрому внедрению решений, неожиданно возникавших в процессе строительства и эксплуатации и продиктованных практической целесообразностью, что совершенно невозможно применить к крупным ТЭС и АЭС. 

Что же касается более передовых  достижений в ветроэнергетике, то в  институте EPRI и на фирме «WindPower» (Ливермор, штат Калифорния) создали прототип ветровой энерготурбины переменной частоты вращения мощностью 300 кВт. Конструкция лопастей и внедрение электронной системы управления обеспечивают вращение ротора с оптимальной частотой в широком диапазоне скоростей ветра. Кроме того, установка отличается пониженным накоплением усталостных напряжений в материалах и невысокой стоимостью эксплуатации. Дальнейшее совершенствование аэродинамических и электронных компонентов ветроэнергоустановок, как полагают в Министерстве энергетики США, позволит в ближайшие 20 лет уменьшить стоимость вырабатываемой ими электроэнергии до 3,5 центов/кВт-ч с умеренными ветровыми ресурсами. С экономической точки зрения наиболее выгодно подключать ветроустановки к энергосистемам в периоды пиковых нагрузок (в Алтамаунт-Пасс и Солано, штат Калифорния на их долю приходится 50 % энергии пиковых нагрузок).

Ветровая энергия является относительно экологически чистой: проблема шума при работе и помехи в телевизионных  каналах, создаваемые электростатическими  зарядами на стальных лопастях, могут  быть легко решены. Сложнее предотвращать  гибель птиц на лопастях и устранить  восприятие некоторыми людьми ветроустановок как чужеродных элементов пейзажа.

1.9 Водород

   На данный момент водород является самым разрабатываемым «топливом будущего». На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть, что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.

1.10 Управляемый термоядерный синтез

   Управляемый термоядерный  синтез использует ядерную энергию,  выделяющуюся при слиянии легких  ядер, таких как ядра водорода  или его изотопов дейтерия  и трития. Ядерные реакции синтеза  широко распространены в природе, будучи источником энергии звезд. Ближайшая к нам звезда - Солнце - это естественный термоядерный реактор, который уже многие миллиарды лет снабжает энергией жизнь на Земле. Ядерный синтез уже освоен человеком в земных условиях, но пока не для производства мирной энергии, а для производства оружия он используется в водородных бомбах. Начиная с 50 годов, в нашей стране и параллельно во многих других странах проводятся исследования по созданию управляемого термоядерного реактора. С самого начала стало ясно, что управляемый термоядерный синтез не имеет военного применения. В 1956 г. исследования были рассекречены и с тех пор проводятся в рамках широкого международного сотрудничества. В то время казалось, что цель близка, и что первые крупные экспериментальные установки, построенные в конце 50 годов, получат термоядерную плазму. Однако потребовалось более 40 лет исследований для того, чтобы создать условия, при которых выделение термоядерной мощности сравнимо с мощностью нагрева реагирующей смеси. В 1997 г. самая крупная термоядерная установка - Европейский токамак, JET, получила 16 МВт термоядерной мощности и вплотную подошла к этому порогу.

Что же явилось причиной такой задержки? Оказалось, что для  достижения цели физикам и инженерам  пришлось решить массу проблем, о  которых и не догадывались в начале пути. В течение этих 40 лет была создана наука - физика плазмы, которая  позволила понять и описать сложные  физические процессы, происходящие в  реагирующей смеси. Инженерам потребовалось  решить не менее сложные проблемы, в том числе научиться создавать  глубокий вакуум в больших объемах, разработать большие сверхпроводящие  магниты, мощные лазеры и источники  рентгеновского излучения, разработать  инжекторы способные создавать  мощные пучки нейтральных атомов, разработать методы высокочастотного нагрева смеси и многое другое.

Первое поколение термоядерных реакторов, которые пока находятся  в стадии разработки и исследований, по-видимому, будет использовать реакцию  синтеза дейтерия с тритием D + T = He + n,

в результате которой образуется ядро гелия, Не, и нейтрон. Необходимое  условие для того, чтобы такая  реакция пошла - это достижение высокой  температуры смеси (сто миллионов  градусов). Только в этом случае реагирующие  частицы могут преодолеть электростатическое отталкивание и при столкновении, хотя бы на короткое время, приблизиться друг к другу на расстояние, при  котором возможна ядерная реакция. При такой температуре смесь  изотопов водорода полностью ионизируется и превращается в плазму - смесь  электронов и ионов. Кроме высокой  температуры, для положительного выхода энергии нужно, чтобы время жизни  плазмы, t, помноженное на плотность  реагирующих ионов, n, было достаточно велико nt > 5*1 000 000 000 000 000 c/см3. Последнее  условие называется критерием Лоусона. Основная физическая проблема, с которой  столкнулись исследователи на первых шагах на пути к термоядерному  синтезу - это многочисленные плазменные неустойчивости, приводящие к плазменной турбулентности. Именно они сокращали  время жизни в первых установках до величины на много порядков меньше ожидаемой и не позволяли достигнуть выполнения критерия Лоусона. За 40 лет  исследований удалось найти способы  борьбы с плазменными неустойчивостями и построить установки способные  удерживать турбулентную плазму.

   Существуют два  принципиально различных подхода  к созданию термоядерных реакторов,  и пока не ясно, какой подход  окажется наиболее выгодным.

   В так называемом  инерционном термоядерном синтезе  несколько миллиграмм дейтериево-тритиевой  смеси сжимаются оболочкой, ускоряемой  за счет реактивных сил, возникающих  при испарении оболочки с помощью мощного лазерного или рентгеновского излучения. Энергия выделяется в виде микровзрыва, когда в процессе сжатия в смеси дейтерия с тритием достигаются необходимые условия для термоядерного горения. Время жизни такой плазмы определяется инерционным разлетом смеси и поэтому критерий Лоусона для инерционного удержания принято записывать в терминах произведения rr, где r - плотность реагирующей смеси и r - радиус сжатой мишени. Для того, чтобы за время разлета смесь успела выгореть, нужно, чтобы rr Ё 3 Г/см2. Отсюда сразу следует, что критическая масса топлива, М, будет уменьшаться с ростом плотности смеси, М ~ rr3 ~ 1/r2 , а следовательно и энергия микровзрыва будет тем меньше, чем большей плотности смеси удастся достичь при сжатии. Ограничения на степень сжатия связаны с небольшой, но всегда существующей неоднородностью падающего на оболочку излучения и с несимметрией самой мишени, которая еще и нарастает в процессе сжатия из-за развития неустойчивостей. В результате появляется некая критическая масса мишени и, следовательно, критическая энергия, которую нужно вложить оболочку для ее разгона и получения положительного выхода энергии. По современным оценкам, в мишень с массой топлива около 5 миллиграмм и радиусом 1-2 миллиметра нужно вложить около 2 МДж за время 5*10^-9 с. При этом энергия микровзрыва будет на уровне всего 54108 Дж (эквивалентно около 100 кг обычной взрывчатки) и может быть легко удержана достаточно прочной камерой. Предполагается, что будущий термоядерный реактор будет работать в режиме последовательных микровзрывов с частотой в несколько герц, а выделяемая в камере энергия будет сниматься теплоносителем и использоваться для получения электроэнергии.

   За прошедшие годы  достигнут большой прогресс в  понимании физических процессов, происходящих при сжатии мишени и взаимодействии лазерного и рентгеновского излучения с мишенью. Более того, современные многослойные мишени уже были проверены с помощью подземных ядерных взрывов, которые позволяют обеспечить требуемую мощность излучения. Было получено зажигание и большой положительный выход термоядерной энергии, и поэтому нет сомнений, что этот способ в принципе может привести к успеху. Основная техническая проблема, с которой сталкиваются исследователи, работающие в этой области - создание эффективного импульсного драйвера для ускорения оболочки. Требуемые мощности можно получить, используя лазеры (что и делается в современных экспериментальных установках ), но к. п. д лазеров слишком мал для того, чтобы можно было рассчитывать на положительный выход энергии. В настоящее время разрабатываются и другие драйверы для инерционного синтеза основанные на использовании ионных и электронных пучков, и на создании рентгеновского излучения с помощью Z пинчей. За последнее время здесь также достигнут существенный прогресс. В настоящее время в США ведется строительство большой лазерной установки, NIF, рассчитанной на получение зажигания.

   Другое направление  в управляемом термоядерном синтезе  - это термоядерные реакторы, основанные  на магнитном удержании. Магнитное  поле используется для изоляции  горячей дейтериево-тритиевой плазмы  от контакта со стенкой. В  отличие от инерционных реакторов  магнитные термоядерные реакторы - это стационарные устройства  с относительно низким объемным  выделением энергии и относительно  большими размерами. За 60 лет термоядерных исследований были предложены различные системы для магнитного удержания, среди которых токамак занимает сейчас лидирующее положение. Другая система для магнитного удержания плазмы - это стелларатор. Крупные стеллараторы строятся в настоящее время в Японии и Германии.

   В токамак горячая плазма имеет форму тора и удерживается от контакта со стенкой с помощью магнитного поля создаваемого как внешними магнитными катушками, так и током, протекающим по самой плазме. Характерная плотность плазмы в токамаке 100 000 000 000 000 частиц в см3 , температура Т = 10-20 кэВ (1 эВ ¦ 12000¦C) и давление 2-3 атм. Для того, чтобы удержать это давление требуется магнитное поле с индукцией В ¦ 1 Т. Однако плазменные неустойчивости ограничивают допустимое давление плазмы на уровне нескольких процентов от магнитного давления и поэтому требуемое магнитное поле оказывается в несколько раз выше, чем то, которое нужно для равновесия плазмы. Для избежания энергетических расходов на поддержание магнитного поля, оно будет создаваться в реакторе сверхпроводящими магнитами. Такая технология уже имеется в нашем распоряжении - один из крупнейших экспериментальных токамаков, Т-15, построенный несколько лет назад в России, использует сверхпроводящие магниты для создания магнитных полей.