Какие материалы используются в современной энергетике?

Классификация электротехнических материалов

Материал – это объект, обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное.

Функции, которые выполняют материалы, разнообразны: обеспечение протекания тока (в проводниковых материалах), сохранение определенной формы при механических нагрузках (в конструкционных материалах), обеспечение изоляции (в диэлектрических материалах), превращение электрической энергии в тепловую (в резистивных материалах). Обычно материал выполняет несколько функций. Например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, то есть является конструкционным материалом.

Материаловедение – наука, занимающаяся изучением состава, структуры, свойств материалов, поведением материалов при различных воздействиях: тепловых, электрических, магнитных и т.д., а также при сочетании этих воздействий.

Электротехническое материаловедение – это раздел материаловедения, который занимается материалами для электротехники и энергетики, т.е. материалами, обладающими специфическими свойствами, необходимыми для конструирования, производства и эксплуатации электротехнического оборудования.

Материалы играют определяющую роль в энергетике. Например, изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом – появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец, последние изобретения – это изоляторы из кремнийорганической резины.

Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов высоковольтных линий (ВЛ) в условиях внешних атмосферных воздействий позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом.

Таким образом, электротехнические материалы (ЭТМ) являются одним из определяющих факторов технико-экономических показателей любой системы электроснабжения.

Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов – это проводниковые материалы, магнитные материалы и диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная по сравнению с другими электротехническими материалами электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Однако для большинства металлов температура плавления высока, и только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39 °С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Важнейшими для электротехники свойствами проводниковых материалов являются их электро- и теплопроводность, а также способность генерации термоЭДС.

Электропроводность характеризует способность вещества проводить электрический ток (смотрите – Электропроводность веществ). Механизм прохождения тока в металлах обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля.

Полупроводниковыми называют материалы, которые являются по своей удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является исключительно сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или других дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).

К полупроводникам относится большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, и находится в диапазоне от 10-4 до 1010 Ом•см. В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи. Также из полупроводников на основе карбида кремния изготавливают нелинейные ограничители перенапряжений в линиях электропередачи (ОПН).

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.

Поляризацией диэлектрика называют возникновение в нем при внесении во внешнее электрическое поле макроскопического собственного электрического поля, обусловленного смещением заряженных частиц, входящих в состав молекул диэлектрика. Диэлектрик, в котором возникло такое поле, называется поляризованным .

Магнитными называют материалы, предназначенные для работы в магнитном поле при непосредственном взаимодействии с этим полем. Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики. К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.

Композиционные материалы – это материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

«Зеленый» курс: какое будущее ждет альтернативные источники энергии

Что такое альтернативные источники энергии

Возобновляемую энергию получают из устойчивых источников, таких как гидроэнергия, энергия ветра, солнечная энергия, геотермальная энергия, биомасса и энергия приливов и отливов. В отличие от ископаемых видов топлива — например, нефти, природного газа, угля и урановой руды, эти источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми. Только за 2019 год по всему миру установлено объектов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) общей мощностью 200 ГВт.

Виды альтернативных источников энергии

1. Солнечная энергия

Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.

Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.

2. Энергия ветра

Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.

Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.

3. Энергия воды

Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.

4. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.

5. Биоэнергетика

Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.

6. Энергия приливов и отливов

Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.

Как разные страны мира выполняют планы по энергопереходу

Страны по всему миру поставили себе амбициозные задачи по переходу на возобновляемую энергию. Цели стали частью и Парижского соглашения — к 2030 году решения с нулевым выбросом углерода могут быть конкурентоспособными в секторах, на которые приходится более 70% глобальных выбросов. Сделать это планируется за счет энергетического перехода — процесса замены угольной экономики возобновляемой энергетикой. В 2020 году, несмотря на пандемию и экономическую рецессию, многие города, страны и компании продолжали объявлять или осуществлять планы по декарбонизации.

Ожидается, что в 2021 году Индия внесет самый большой вклад в развитие возобновляемой энергетики. Здесь планируют запустить ряд ветряных и солнечных проектов.

В Евросоюзе также прогнозируется скачок в приросте мощностей в 2021 году. Здесь даже в условиях пандемии не забывают о Green Deal — крупнейшей в истории ЕС коррекции экономического курса. Цель проекта — сформировать в ЕС углеродно-нейтральное пространство к 2030 году. Для этого планируется сократить на 40% объем выбросов парниковых газов от уровня 1990 года и увеличить долю энергии из возобновляемых источников до 32% в общей структуре энергопотребления. Как посчитала Еврокомиссия, достичь этих задач можно будет с помощью ежегодных инвестиций в размере €260 млрд. Доля ВИЭ в энергосистеме ЕС также постоянно растет. Так, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в ЕС было произведено из возобновляемых источников.

Пока же в лидерах инвестиций в развитие возобновляемой энергетики — Китай, США, Япония и Великобритания. С тех пор, как BloombergNEF начал отслеживать эти данные, глобальные инвестиции в ветровую и солнечную энергетику, биотопливо, биомассу и отходы, малую гидроэлектроэнергетику увеличились почти на порядок. В годовом выражении вложения в чистую энергию выросли с $33 млрд до более чем $300 млрд за 20 лет.

Китай за десять лет стал главным производителем оборудования для возобновляемой энергетики. В первую очередь, речь идет о солнечных панелях. Семь из десяти крупнейших мировых производителей солнечных батарей — это китайские компании. В целом развитие технологий удешевило стоимость строительства новых объектов ВИЭ. Это приближает планы Китая стать углеродно нейтральным к 2060 году.

Серьезных шагов в сторону энергоперехода ожидают и от президента США Джо Байдена. Он не только вернул страну в Парижское соглашение, но и заявил о том, что намерен добиться чистых выбросов парниковых газов и перехода на 100% экологичной энергии к 2050 году.

Также к 2050 году планируют использовать только ВИЭ Япония, Южная Корея, Новая Зеландия и Великобритания. Прошедший 2020 год уже стал самым экологичным для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. Страна целых 67 дней смогла обходиться без угля. От традиционных источников энергии Британия планирует отказаться уже к 2025 году.

Активно развиваются ВИЭ в Испании — по прогнозам, сектор только солнечной энергетики в стране будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.

В 2020 году Шотландия получила 97% электроэнергии из возобновляемых источников. С помощью произведенной «зеленой» энергии получилось обеспечить электронужды более чем 7 млн домохозяйств. Шотландия планирует стать углеродной нейтральной уже к 2030 году.

Этот же год выбран временем полного отказа от традиционной энергетики для Австрии, а Саудовская Аравия запланировала к 2030 году получать 50% электроэнергии от ВИЭ.

Геотермальная энергия в Рейкьявике и солнечные батареи для Берлина

Отдельные города по всему миру также стремятся стать климатически нейтральными. По данным CDP, из более чем 570 городов мира, по которым ведется статистика, более 100 получают по крайней мере 70% электроэнергии из возобновляемых источников — энергии воды, геотермальной, солнечной и ветровой энергии.

В списке присутствуют такие города, как Окленд, Найроби, Осло, Сиэтл, Ванкувер, Рейкьявик, Порту, Базель, Богота и другие.

Например, Берлингтон (штат Вермонт, США) уже получает 100% электроэнергии от ветра, солнца, воды и биомассы. Вся электроэнергия Рейкьявика производится за счет гидроэлектростанций и геотермальных источников. К 2040 году весь общественный и личный транспорт столицы должен стать свободным от ископаемого топлива.

100% энергии из возобновляемых источников для швейцарского Базеля обеспечивает собственная энергоснабжающая компания. Большая часть электроэнергии поступает от гидроэнергетики и 10% — от ветра. В мае 2017 года Швейцария проголосовала за постепенный отказ от атомной энергетики в пользу ВИЭ.

Мировые столицы также не остаются в стороне. Например, Сенат Берлина утвердил план мероприятий по развитию солнечной энергетики в столице Германии «Masterplan Solarcity». В соответствии с общей стратегией развития города Берлин должен стать климатически нейтральным к 2050 году. В конце 2018 года в Берлине работали солнечных электростанций, которые покрывали 0,7% потребления электроэнергии, к 2050 году 25% энергопотребления города будут обеспечиваться за счет солнечной энергетики.

«Мы продвигаем расширение возобновляемых источников энергии в Берлине. Сейчас на рассмотрении Сената столицы находятся два законопроекта. Закон о солнечной энергии обязывает владельцев частных домов устанавливать солнечные системы на крышах. Законопроект Администрации по окружающей среде и климату сделает использование солнечной энергии в общественных зданиях обязательным уже в 2023 году. Это радикально сократит выбросы CO₂ в Берлине», — рассказала руководитель фракции «Зеленые» в берлинском Сенате Зильке Гебель.

Как бизнес формирует положительный имидж, инвестируя в ВИЭ

Компании по всему миру также создают стратегии и определяют «зеленые» цели, которых они хотят достичь в течение определенного периода времени. Появилось осознание: нужно действовать ответственно и подавать экологичный пример потребителям. Конечно, использование ВИЭ может не только помочь в формировании положительного имиджа для компаний, но и снизить затраты на электроэнергию.

Так, новые серверы Facebook, а также компания General Motors будут получать энергию от солнечной электростанции. Ее строят в штате Кентукки в рамках масштабной программы Green Invest.

IKEA запланировала производить больше электроэнергии на основе возобновляемых источников, чем она потребляет, к 2030 году. В 14 странах на магазинах размещены 920 тыс. солнечных панелей, а также более 530 ветряных турбин. Ingka, материнская компания IKEA, инвестировала около $2,8 млрд в различные проекты ВИЭ и стала владельцем 1,7 ГВт мощностей. Она также продолжит вкладывать средства в строительство ветропарков и солнечных электростанций.

Химический концерн BASF будет постепенно переходить на возобновляемые источники энергии, а также планирует инвестировать в ветропарки.

Компания Intel получает энергию от ветра, солнца, воды и биомассы. С 2012 года Intel инвестировал $185 млн в 2 000 проектов по энергосбережению, а 100% электроэнергии, потребляемой корпорацией в США и ЕС, поступает из ВИЭ.

Apple также ставит перед собой цель стать углеродно нейтральной. Она приобрела несколько солнечных ферм, обеспечивая устойчивую энергию для своих центров обработки данных. С 2018 года все розничные магазины, офисы и центры обработки данных Apple работают на 100% возобновляемой энергии.

Microsoft ежегодно использует более 1,3 млрд. кВт·ч «зеленой» энергии при разработке ПО, работы центров обработки данных и производства. Компания обязалась сократить выбросы углекислого газа на 75% к 2030 году.

Виды альтернативной энергетики. Справка

Альтернативная энергетика – совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии.

Альтернативный источник энергии – способ, устройство или сооружение, позволяющее получать электрическую энергию (или другой требуемый вид энергии) и заменяющий собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле.

Виды альтернативной энергетики: солнечная энергетика, ветроэнергетика, биомассовая энергетика, волновая энергетика, градиент-температурная энергетика, эффект запоминания формы, приливная энергетика, геотермальная энергия.

Солнечная энергетика – преобразование солнечной энергии в электроэнергию фотоэлектрическим и термодинамическим методами. Для фотоэлектрического метода используются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) с непосредственным преобразованием энергии световых квантов (фотонов) в электроэнергию.

Термодинамические установки, преобразующие энергию солнца вначале в тепло, а затем в механическую и далее в электрическую энергию, содержат “солнечный котел”, турбину и генератор. Однако солнечное излучение, падающее на Землю, обладает рядом характерных особенностей: низкой плотностью потока энергии, суточной и сезонной цикличностью, зависимостью от погодных условий. Поэтому изменения тепловых режимов могут вносить серьезные ограничения в работу системы. Подобная система должна иметь аккумулирующее устройство для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечения необходимого изменения производства энергии во времени. При проектировании солнечных энергетических станций необходимо правильно оценивать метеорологические факторы.

Геотермальная энергетика – способ получения электроэнергии путем преобразования внутреннего тепла Земли (энергии горячих пароводяных источников) в электрическую энергию.

Этот способ получения электроэнергии основан на факте, что температура пород с глубиной растет, и на уровне 2–3 км от поверхности Земли превышает 100°С. Существует несколько схем получения электроэнергии на геотермальной электростанции.

Прямая схема: природный пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами. Непрямая схема: пар предварительно (до того как попадает в турбины) очищают от газов, вызывающих разрушение труб. Смешанная схема: неочищенный пар поступает в турбины, а затем из воды, образовавшийся в результате конденсации, удаляют не растворившиеся в ней газы.

Стоимость “топлива” такой электростанции определяется затратами на продуктивные скважины и систему сбора пара и является относительно невысокой. Стоимость самой электростанции при этом невелика, так как она не имеет топки, котельной установки и дымовой трубы.

К недостаткам геотермальных электроустановок относится возможность локального оседания грунтов и пробуждения сейсмической активности. А выходящие из-под земли газы могут содержать отравляющие вещества. Кроме того, для постройки геотермальной электростанции необходимы определенные геологические условия.

Ветроэнергетика – это отрасль энергетики, специализирующаяся на использовании энергии ветра (кинетической энергии воздушных масс в атмосфере).

Ветряная электростанция – установка, преобразующая кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Состоит она из ветродвигателя, генератора электрического тока, автоматического устройства управления работой ветродвигателя и генератора, сооружений для их установки и обслуживания.

Для получения энергии ветра применяют разные конструкции: многолопастные «ромашки»; винты вроде самолетных пропеллеров; вертикальные роторы и др.

Производство ветряных электростанций очень дешево, но их мощность мала, и их работа зависит от погоды. К тому же они очень шумны, поэтому крупные ветряные электростанции даже приходится на ночь отключать. Помимо этого, ветряные электростанции создают помехи для воздушного сообщения, и даже для радиоволн. Применение ветряных электростанций вызывает локальное ослабление силы воздушных потоков, мешающее проветриванию промышленных районов и даже влияющее на климат. Наконец, для использования ветряных электростанций необходимы огромные площади, много больше, чем для других типов электрогенераторов.

Волновая энергетика – способ получения электрической энергии путем преобразования потенциальной энергии волн в кинетическую энергию пульсаций и оформлении пульсаций в однонаправленное усилие, вращающее вал электрогенератора.

По сравнению с ветровой и солнечной энергией энергия волн обладает гораздо большей удельной мощностью. Так, средняя мощность волнения морей и океанов, как правило, превышает 15 кВт/м. При высоте волн в 2 м мощность достигает 80 кВт/м. То есть, при освоении поверхности океанов не может быть нехватки энергии. В механическую и электрическую энергию можно использовать только часть мощности волнения, но для воды коэффициент преобразования выше, чем для воздуха – до 85 процентов.

Приливная энергетика, как и прочие виды альтернативной энергетики, является возобновляемым источником энергии.

Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор.

Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и, когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит.

Считается экономически целесообразным строительство приливных электростанций в районах с приливными колебаниями уровня моря не менее 4 м. Проектная мощность приливной электростанции зависит от характера прилива в районе строительства станции, от объема и площади приливного бассейна, от числа турбин, установленных в теле плотины.

Недостаток приливных электростанции в том, что они строятся только на берегу морей и океанов, к тому же они развивают не очень большую мощность, да и приливы бывают всего лишь два раза в сутки. И даже они экологически не безопасны. Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым – условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения.

Градиент-температурная энергетика. Этот способ добычи энергии основан на разности температур. Он не слишком широко распространен. С его помощью можно вырабатывать достаточно большое количество энергии при умеренной себестоимости производства электроэнергии.

Большинство градиент-температурных электростанций расположено на морском побережье и используют для работы морскую воду. Мировой океан поглощает почти 70% солнечной энергии, падающей на Землю. Перепад температур между холодными водами на глубине в несколько сотен метров и теплыми водами на поверхности океана представляет собой огромный источник энергии, оцениваемый в 20-40 тысяч ТВт, из которых практически может быть использовано лишь 4 ТВт.

Вместе с тем, морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды, способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.

Биомассовая энергетика. При гниении биомассы (навоз, умершие организмы, растения) выделяется биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева, выработки электроэнергии и пр.

Существуют предприятия (свинарники и коровники и др.), которые сами обеспечивают себя электроэнергией и теплом за счет того, что имеют несколько больших “чанов”, куда сбрасывают большие массы навоза от животных. В этих герметичных баках навоз гниет, а выделившийся газ идет на нужды фермы.

Еще одним преимуществом этого вида энергетики является то, что в результате использования влажного навоза для получения энергии, от навоза остается сухой остаток являющийся прекрасным удобрением для полей.

Также в качестве биотоплива могут быть использованы быстрорастущие водоросли и некоторые виды органических отходов (стебли кукурузы, тростника и пр.).

Эффект запоминания формы – физическое явление, впервые обнаруженное советскими учеными Курдюмовым и Хондросом в 1949 году.

Эффект запоминания формы наблюдается в особых сплавах и заключается в том, что детали из них восстанавливают после деформации свою начальную форму при тепловом воздействии. При восстановлении первоначальной формы может совершаться работа, значительно превосходящая ту, которая была затрачена на деформацию в холодном состоянии. Таким образом, при восстановлении первоначальной формы сплавы вырабатывают значительно количество тепла (энергии).

Основным недостатком эффекта восстановления формы является низкий КПД – всего 5-6 процентов.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

Как альтернативные источники энергии помогают получать тепло и электричество

1. Главная
2. Технологии

Ухудшение экологии и истощение природных ресурсов заставляет задумываться о том, как получать электричество и тепло из возобновляемых источников.

В этой статье рассказываем, как работает альтернативная энергия и почему многие страны делают выбор в её пользу.

Что такое альтернативная энергия?

Энергия бывает возобновляемой (альтернативной) и невозобновляемой (традиционной).

Альтернативные источники энергии – это обычные природные явления, неисчерпаемые ресурсы, которые вырабатываются естественным образом. Такая энергия ещё называется регенеративной или «зелёной».

Невозобновляемые источники – это нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением.

Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций. Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.

Ресурсы возобновляемой энергии

• Солнечный свет
• Водные потоки
• Ветер
• Приливы
• Биотопливо (топливо из растительного или животного сырья)
• Геотермальная теплота (недра Земли)

Альтернативные виды энергии

1. Солнечная энергия

Один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего её преобразуют в электричество солнечными батареями. Всей планете на целый год хватит энергии, которую солнце посылает на Землю за день. Впрочем, от общего объёма годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях не превышает 2%.

Основные недостатки – зависимость от погоды и времени суток. Для северных стран извлекать солнечную энергию невыгодно. Конструкции дорогие, за ними нужно «ухаживать» и вовремя утилизировать сами фотоэлементы, в которых содержатся ядовитые вещества (свинец, галлий, мышьяк). Для высокой выработки необходимы огромные площади.

Солнечное электричество распространено там, где оно дешевле обычного: отдалённые обитаемые острова и фермерские участки, космические и морские станции. В тёплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужны обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией.

Батареи также устанавливают на беспилотные автомобили, самолёты, дирижабли, поезда Hyperloop .

2. Ветроэнергетика

Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).

Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.

Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.

3. Гидроэнергия

Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определённого напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.

Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.

4. Волновая энергетика

Есть много способов генерации электричества из волн, но эффективно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.

Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.

Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже дорогие и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны.

5. Энергия приливов и отливов

Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.

Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.

6. Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)

Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.

Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.

7. Энергия жидкостной диффузии

Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.

Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.

8. Геотермальная энергия

Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).

Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.

Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.

Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.

9. Биотопливо

Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.

• Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.

• Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).

• Третье поколение – биотопливо из водорослей.

Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.

Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.

Плюсы и минусы альтернативной энергии

Главная перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.

Преимущества:

• Доступность – не нужно обладать нефтяными или газовыми месторождениями. Правда, это относится не ко всем видам. Страны без выхода к морю не смогут получать волновую энергию, а геотермальную можно преобразовывать только в вулканических районах.

• Экологичность – при образовании тепла и электричества нет вредных выбросов в окружающую среду.

• Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.

Недостатки и проблемы:

• Траты на этапе строительства и обслуживание – оборудование и расходные материалы дорогие. Из-за этого повышается итоговая цена электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Сейчас главная задача разработчиков снизить себестоимость установок.

• Зависимость от внешних факторов: невозможно контролировать силу ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии зависит от географии страны.

• Низкий КПД и маленькая мощность установок (кроме ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления.

• Влияние на климат. Например, спрос на биотопливо привёл к сокращению посевных площадей для продовольственных культур, а плотины для ГЭС изменили характер рыбных хозяйств.

Возобновляемая энергия в мире

Главный потребитель возобновляемых источников энергии – Евросоюз. В некоторых странах альтернативная энергетика вырабатывает почти 40% от всей электроэнергии. Там уже прижились разные меры поддержки: скидочные тарифы на подключение и возврат денег за покупку оборудования. Не отстают страны Востока и США.

Германия

40% электроэнергии в Германии дают возобновляемые источники. Она лидер по числу ветровых установок, которые генерируют 20,4 % электричества. Оставшаяся доля приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергетику. Немецкое правительство поставило план: вырабатывать 80% энергии за счёт альтернативных источников к 2050 году, но закрывать атомные электростанции пока не хочет.

Исландия

У Исландии очень много горячей воды, потому что она расположилась в зоне вулканической активности. Страна обеспечивает 85% домов отоплением из геотермальных источников и покрывает ими 65% потребностей населения в электроэнергии. Мощность источников настолько велика, что они хотят наладить экспорт энергии в Великобританию.

Швеция

После нефтяного кризиса 1973 года страна стала искать другие источники энергии. Началось всё с ГЭС и АЭС. Из-за атомных станций шведов часто критиковали Greenpeace, но с конца 80-х доля энергии от АЭС не растёт.

Начиная с 90-х Швеция строит оффшорные ветропарки в море. На выбросы предприятиями углерода в атмосферу введён дополнительный налог, а для производителей ветровой, солнечной и биоэнергии есть льготы.

Ещё Швеция активно использует энергию от переработки мусора и даже планирует его закупать у соседних стран, чтобы отказаться от нефти. Некоторые города получают тепло от мусоросжигательных заводов.

Китай

В Китае самая мощная ГЭС в мире – «Три ущелья». По состоянию на 2018 год – это крупнейшее по массе сооружение. Её сплошная бетонная плотина весит 65,5 млн тонн. За 2014 станция произвела рекордные для мира 98,8 млрд кВт⋅ч.

Крупнейшие ветровые ресурсы тоже здесь (три четверти из них поставлены в море). К 2020 году страна планирует выработать при их помощи 210 ГВт.

Ещё тут 2 700 геотермальных источников и делают 63% устройств для преобразования солнечной энергии. Китай занимает третье место в производстве биотоплива на основе этанола.

Альтернативная энергия в России

Разное географическое положение регионов и специфика климатических поясов в России не позволяют развивать эту отрасль равномерно. Нет инвестиций и есть пробелы в законе.

Виды возобновляемой энергии в России

Солнечная энергия

Используется и в промышленных масштабах, и у местного населения как резервный или основной источник тепла и электричества. Мощность всех солнечных установок – 400 МВт, из них самые крупные в Самарской, Астраханской, Оренбургской областях и Крыму. Самая мощная СЭС – «Владиславовка» (Крым). Ещё разрабатываются проекты для Сибири и Дальнего Востока.

Ветровая энергетика

Ветровая возобновляемая энергия в России представлена чуть хуже, чем солнечная, хотя и здесь есть промышленные установки. Общая мощность ветровых генераторов в нашей стране – 183,9 МВт (0,08 % от всей энергосистемы). Больше всего установок – в Крыму, а мощнейшая находится в Адыгее – «Адыгейская ВЭС».

Гидроэнергетика

Это самый популярный вариант альтернативного источника энергии в России. Около 200 речных ГЭС вырабатывают до 20% от всей энергии в стране. В заливе Кислая губа в Мурманской области с 1968 года есть приливная электростанция – «Кислогубская ПЭС». Самая крупная ГЭС стоит на реке Енисей – «Саяно-Шушенская».

Геотермальная энергетика

За счёт обилия вулканов этот вид энергетики распространён на Камчатке. Там 40% потребляемой энергии генерируется на геотермальных источниках. По данным учёных, потенциал Камчатки оценивается в 5000 МВт, а вырабатывается только 80 МВт энергии в год. Ещё геотермальные станции есть на Курилах, Ставропольском и Краснодарском крае.

Биотопливо

Наша страна входит в тройку экспортёров пеллет на европейском рынке. В России есть заводы, создающие из остатков древесины пеллеты и брикеты, которыми топят котлы и печки.

Сельскохозяйственные отходы преобразуют в жидкое топливо и биогаз для дизельных двигателей. А вот свалочный газ не используется вообще, его просто выбрасывают в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде.

Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии

Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.

First Solar Inc.

Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.

Vestas Wind Systems A/S

Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.

Atlantica Yield PLC

Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.

ABB Ltd. Asea Brown Boveri

Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.

Какие материалы используются в современной энергетике?

Достижения современной энергетики требуют нового поколения материалов, в числе которых элементы аккумуляторных батарей, солнечные элементы, детали силовых турбин, распределительных сетей и т.п. Материалы энергетики стали важной частью улучшения возможностей, безопасности и энергоэффективности транспортных средств и технологического оборудования. Специфическим разделом современной энергетики является материаловедение веществ, используемых для мгновенного высвобождения значительного количества тепловой и лучистой энергии, что происходит при взрывах, стартах космических ракет, пиротехнических шоу.

Использование взрывчатых веществ в энергетике

При производстве боеприпасов – мин, гранат, снарядов – основная задача состоит в том, чтобы нанести наибольший урон цели. В самом общем смысле повреждение вызывается передачей энергии от боеголовки к цели.

Энергия обычно носит механический характер и принимает форму ударной волны или кинетической энергии осколков. В любом случае необходимо высвободить большое количество энергии. Для многих боеголовок эта энергия хранится в виде химических взрывчатых веществ.

Существует множество химических реакций, в которых выделяется энергия. Они известны как экзотермические реакции. Если они протекают медленно, высвобождаемая энергия будет рассеиваться, и, кроме повышения температуры, другие эффекты будут малозаметны. С другой стороны, если реакция протекает очень быстро, энергия не успевает рассеиваться. Таким образом, большое количество энергии, вложенное в относительно небольшой объем, проявится в быстром расширении горячих газов, что, в свою очередь, создаст ударную волну.

Основные типы веществ, взаимодействие которых вызывает взрывные химические реакции:

• металл + кислород + оксид металла (например, ZnO или PbO);
• углерод + кислород + угарный газ;
• водород + кислород + вода;
• угарный газ + кислород + двуокись кислорода;
• смесь азота, водорода и кислорода при избытке последнего.

Для накопления большого количества энергии в небольшом объёме жизненно важна скорость реакции. Материалы современной энергетики с медленно протекающими реакциями позволяют рассеивать выделяемую энергию. Взрыв же создаёт либо ударную волну, либо выбрасывает осколки во все стороны. Если выделение энергии медленное, ударная волна будет постепенной и растянутой, а скорость фрагмента будет низкой. Бурная реакция характеризуется очень резкой ударной волной и большими скоростями осколков. Эта скорость реакции называется бризантностью или разрушительной способностью взрыва. Бризантность считается свойством взрывчатого материала и различается степенью удержания. Именно скорость реакции используется в качестве метода классификации взрывчатых материалов.

Для мирных применений используют слабые взрывчатые вещества, например, порох. Они выделяют большое количество энергии, которая более полезна в качестве топлива, когда расширение газов используется для быстрого перемещения предметов.

Применение порохов и ракетного топлива

Слабые взрывчатые вещества, иногда называемые химическими пропеллентами, обеспечивают значения удельного импульса в диапазоне 175 … 400 секунд.

Различные значения удельных импульсов достигаются варьированием температуры выхлопных газов и и их молекулярной массой. С этой точки зрения эффективное ракетное топливо должно иметь большую теплоту сгорания для получения высоких температур и производить продукты сгорания, содержащие простые лёгкие молекулы, содержащие такие элементы, как водород, углерод, кислород, фтор и более легкие металлы. (алюминий, бериллий, литий). Традиционный порох представляет собой смесь 15% древесного угля, 15% серы и 75% селитры (нитрата калия).

Еще одним важным фактором является плотность топлива. Нужный вес пороха может перевозиться в меньшем и более лёгком баке, чем такой же вес пороха низкой плотности. Жидкий водород, например, энергоёмок, а его дымовые газы легки. Однако это очень громоздкое вещество, требующее больших резервуаров. Собственный вес этих резервуаров частично компенсирует высокий удельный импульс водородного топлива.

При выборе топлива необходимо учитывать и другие критерии. Некоторые химические вещества, которые дают отличный удельный импульс, создают проблемы в работе ракетного двигателя. Некоторые из них не подходят в качестве охлаждающих жидкостей для горячих стенок напорной камеры. Другие проявляют особенности горения, которые делают их использование затруднительным или невозможным. Некоторые из них нестабильны в той или иной степени, и их нельзя безопасно хранить или обрабатывать. Такие особенности препятствуют их использованию в ракетно-космической технике.

К сожалению, почти любое ракетное топливо чрезвычайно токсично. Авиационный бензин, хотя и прост в применении, но легко воспламеняется, и с ним нужно обращаться осторожно.

Некоторые виды ракетного топлива настолько агрессивны, что для их нейтрализации можно использовать лишь несколько специальных веществ, устраняющих опасность самопроизвольного возгорания при контакте с воздухом, металлами или при контакте с любым органическим веществом.

Использование композитных материалов в современной энергетике. Достоинства и недостатки Текст научной статьи по специальности « Энергетика и рациональное природопользование»

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Ященков Артем Сергеевич, Козлов Александр Николаевич

В статье проведен анализ достоинств и недостатков использования композитных опор и композитных проводов . Рассмотрено внедрение данной технологии для современного электроснабжения. Описан существующий опыт применения композитных опор и композитных проводов в России.This paper analyzes the advantages and disadvantages of composite columns and cables application. It considers the implementation of this technology for a modern power supply. The authors describe present experience with the application of composite columns and cables in Russia.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Ященков Артем Сергеевич, Козлов Александр Николаевич

Текст научной работы на тему «Использование композитных материалов в современной энергетике. Достоинства и недостатки»

А.С. Ященков, А.Н. Козлов

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СОВРЕМЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ.

ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

В статье проведен анализ достоинств и недостатков использования композитных опор и композитных проводов. Рассмотрено внедрение данной технологии для современного электроснабжения. Описан существующий опыт применения композитных опор и композитных проводов в России.

Ключевые слова: композитные опоры, композитные провода, воздушные ЛЭП, надежность электроснабжения.

ADVANTAGES AND DISADVANTAGESOF COMPOSITE MATERIALS IN MODERN ENGINEERING

This paper analyzes the advantages and disadvantages of composite columns and cables application. It considers the implementation of this technology for a modern power supply. The authors describe present experience with the application of composite columns and cables in Russia.

Роль электрического оборудования в обеспечении качества жизни граждан и безопасности рабочих процессов год от года возрастает. В связи с этим растет и важность обеспечения бесперебойного снабжения электроэнергией различных потребителей, к числу которых в последние годы добавилось множество важных и потенциально опасных объектов автомобильного, авиационного и трубопроводного транспорта, а также объекты связи и телекоммуникаций, часто расположенные в самых сложных географических и климатических условиях. Наиболее затратными по капитальным вложениям и в то же время наиболее уязвимыми к действию неблагоприятных климатических факторов являются воздушные линии электропередач, особенно распределительные сети напряжением 6-10 кВ.

Цель статьи – проанализировать достоинства и недостатки применения композитных опор и композитных проводов (или проводов с композитным сердечником).

Композитом (композиционным материалом) называют неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.

Композитные опоры воздушных линий электропередач – сравнительно новый тип мачтовых конструкций, история которых насчитывает не более 15 лет. Опыт применения их еще небольшой, но современные композиционные материалы придают опорам этого типа ряд необычных свойств, представляющих определенный интерес с точки зрения снижения затрат на монтаж и повышения эксплуатационной надежности воздушных линий электропередач.

Промежуточные одностоечные композитные опоры применяются для установки на воздушных ЛЭП классов напряжений 220, 110, 35 и 10 кВ, с переменным током частотой до 100 Гц, одно-цепных и двухцепных. Для без гирляндной подвески проводов на опорах 220 и 110 кВ применяются изолирующие траверсы.

Композитные опоры ЛЭП предназначены для сооружений линий электропередач и являются одним из главных конструктивных элементов ЛЭП, отвечающих за крепление и подвеску электрических проводов (в том числе грозотроса, провода ВОЛС) на определенном уровне.

К основным достоинствам композитных опор относятся следующие [10].

Прочность. По данному параметру композитные опоры сопоставимы со стальными.

Масса. Низкий показатель массы облегчает транспортировку и монтаж опоры.

Диэлектрические свойства. По изоляционным характеристикам композитные опоры практически аналогичны деревянным. Изоляционные свойства материала позволяют применять новые решения по защите линий от грозовых перенапряжений, в том числе основанные на увеличении электрической прочности фазной изоляции.

Упругость. Благодаря эластичности (гибкости) стойки выдерживают большие ветровые и гололедные нагрузки. Высокая эластичность композитных конструкций позволяет избежать остаточной деформации.

Долговечность. Проведенные испытания показали, что срок службы опор составляет приблизительно 70 лет.

Минимальное обслуживание. Высокая стабильность материала позволяет эксплуатировать композитные опоры в суровых климатических условиях.

Физические свойства. Композитные опоры не подвержены гниению и коррозии, воздействию птиц (дятлов) и насекомых, обладают высокой огнестойкостью и могут стать абсолютно негорючими, если их покрыть несколькими слоями огнестойкого средства.

Экологичность. Токсичные компоненты не применяются при производстве и не выделяются в окружающую среду в процессе эксплуатации. Использование композитных опор не приводит к загрязнению окружающей среды и не порождает проблем, подобных тем, которые возникают с пропитанными креозотом деревянными опорами.

Безопасность для участников дорожного движения. Опоры из композитных материалов более ударобезопасны по сравнению с железобетонными и металлическими аналогами, не наносят травм участникам движения и серьезных повреждений транспортным средствам при ДТП.

Эстетическая составляющая. Металлические и железобетонные опоры портят живописный природный пейзаж или зачастую неудачно вписываются в городскую застройку, тогда как можно превратить инженерную конструкцию в произведение искусства. Примеры таких «превращений» из композитных материалов приведены на рисунке.

Однако названные виды опор не лишены недостатков.

Прежде всего это достаточно высокая цена композитных опор, поскольку в нашей стране еще слабо налажен процесс производства опор из композитных материалов. Но если рассматривать общую стоимость владения такого рода опорами, то, учитывая более долгий срок их службы и меньшие затраты на установку и обслуживание, разница оказывается значительно меньше предполагаемой.

Из-за достаточно высокой

сборки опор требуется постоянное участие крана, для стяжки модулей – применение спецлебедки.

стоимости применение опор из композитного материала оправдано лишь на линиях, сооружаемых в труднопроходимой местности (горы, тундра, тайга, болота), или для строительства линий высокой степени надежности, обслуживание которых затруднено.

Примеры композитных опор.

Сложность монтажа опор. Для

Последним, менее существенным недостатком (решаемом при должном подходе к управлению персоналом) является недостаточный опыт монтажа и эксплуатации данного типа опор, но со временем этот недостаток будет нивелирован.

Другим направлением использования композитных материалов в энергетике является производство алюминиевого композитного провода.

Продукт получил название ACCR – алюминиевый композитный усиленный провод. Помимо улучшенной пропускной способности, ACCR обладает меньшей массой, большей прочностью, более высокой температуростойкостью и устойчивостью к провисанию по сравнению с существующими аналогами [8]. Композитный провод более устойчив к коррозии, обладает повышенным сопротивлением усталости и безвреден для окружающей среды (отсутствие экологической деградации). Это изобретение является поистине революционным и считается первым важным прорывом в области проводов воздушных ЛЭП с тех пор, как в начале XX в. появился широко распространенный стале-алюминиевый провод.

ACCR – витой многожильный провод, который состоит из сердечника и внешних токоведу-щих жил. Композитный сердечник образуют несколько проволок диаметром от 1,9 до 2,9 мм. Каждая проволока представляет собой алюминий высокой чистоты, в который внедрены более 25000 микрометровых непрерывных продольных волокон оксида алюминия (А1 203). Эти волокна придают материалу сверхвысокую прочность.

Внешние токоведущие жилы провода ACCR состоят из температуроустойчивого сплава алюминий-цирконий (А1-2г). Сплав А1-2г имеет прочность аналогичную стандартному алюминию 1350-Н19, но его микроструктура сформулирована так, чтобы он сохранял эту прочность при высоких температурах. Если обычный алюминий при температуре 120-150°С отжигается и резко теряет прочность, то сплав А1-2г сохраняет свои свойства до 210°С, с пиковыми нагрузками до 240°С.

Провод ACCR поставляется с сечением от 120 до 1600 мм2.

Разделка, сращивание и оконцевание ACCR производятся методами, традиционными для обычных кабелей, при помощи приспособлений, свободно поставляемых поставщиками кабельной арматуры по всему миру.

Внешне композитный сердечник выглядит как обыкновенный алюминиевый провод, но его механические и физические свойства значительно превосходят алюминиевые и стальные аналоги.

Основными отличительными качествами (достоинствами) композитного сердечника в сравнении с предыдущими аналогами являются следующие [3].

Прочность композитного сердечника сравнима со стальным и в 8 раз выше алюминиевого.

Масса композитного сердечника в 2 раза меньше стального и всего на 20% больше массы чистого алюминия.

Электропроводность сердечника ACCR в 4 раза выше стального.

Коэффициент теплового расширения в 4 раза меньше алюминиевого и в 2 раза меньше стального.

Жесткость – в 3 раза выше алюминиевого сердечника.

Ключевые преимущества применения провода ACCR – это [3]:

1) увеличение пропускной способности существующих воздушных ЛЭП в два и более раз при реконструкции; выполнение самых высоких требований по надежности сети;

2) экономия времени и денег – сокращение затрат на усиление сетей в среднем на 20-30 % от стоимости традиционных решений; сокращение времени реализации проектов – меньшие сроки проектирования, меньше согласований;

3) щадящее отношение к окружающей среде – замена провода гораздо меньше затрагивает окружающую среду, чем строительство новых опор.

Что же касается недостатков применения нового провода, то они имеют финансовый характер – новый материал более дорог, нежели его предшественники. Однако и здесь не стоит забывать об экономической эффективности. ACCR сокращает срок выполнения работ по проекту и бюджетные риски. Исключая необходимость в дорогостоящих новых опорах, землеотвод и прочие затратные факторы, реконструкция с помощью ACCR обеспечивает значительное сокращение расходов даже при более высокой цене провода за километр. Во многих случаях ACCR является наиболее высокоэффективным и экономичным решением.

Подводя итог, необходимо отметить, что, несмотря на имеющиеся недостатки, у электротехнического оборудования, выполненного из композитных материалов, достоинств несравнимо больше. Учитывая, что недостатки по применению композитных материалов связаны прежде всего с ценовым фактором, целесообразность их применения в каждом конкретном случае нужно оценивать по принятым критериям экономической эффективности проектов [7], т.е. производить подробный анализ с привязкой к конкретной местности, условиям строительства и другим факторам, влияющим на конечную стоимость работ.

Что же касается применения описанных в данной статье материалов именно в России, то необходимо отметить, что внедрение уже начато. Так, композитный алюминиевый провод был использован при реконструкции ВЛ 110 кВ 64-65 Харанорская ГРЭС – подстанция «Турга» («Читаэнерго», Сибирь), ВЛ 110 кВ Очаково-Одинцово (АО «МОЭСК», Москва), ВЛ 110 кВ Цимлянская ИГЭС, Цимлянская – Кировская (АО «Иркутская электросетевая компания», Иркутск).

Что касается опыта применения композитных опор, то в 2013 г. на юге Тюменской области (АО «Тюменьэнерго») энергетики ввели в опытную эксплуатацию опоры линий электропередачи 110 кВ из стеклопластикового композита. С 2014 г. ООО «Нанотехнологический центр композитов» проводит для АО «ДРСК» (входит в холдинг ПАО «РАО «ЭС Востока») научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по разработке промежуточных опор из композитных материалов. Использование в производстве первой пробной партии – в 1 квартале 2016 г. в филиале АО «ДРСК» -«Амурские ЭС».

1. Абакумов, П.Г. Многогранные металлические опоры для распределительных электрических сетей. Опыт и перспективы применения / П.Г. Абакумов, С.Е. Казаков // Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. – 2006. – № 4.

2. Бочаров, Ю.Н., Жук, В.В. К вопросу о композитных опорах воздушных линий // Труды Кольского научного центра РАН. – 2012. – Т. 4, вып. 1.

3. Вотякова, О.Н. Разработка укрупненных организационно-технологических моделей реконструкции линий электропередач: Дис. . канд. техн. наук. – М., 2015.

4. Готвянский, В.В. Типовые технологические карты на установку свободностоящих портальных промежуточных опор типа ПБ 330-7Н, ПБ 500-5Н и ПБ 500-7Н и модификации базовой конструкции // Воздушные линии. – 2011. – № 3 (4).

5. Дубина, А.А. Новые конструкции полимерных стоек для опор ВЛ в РФ и Украине // Воздушные линии. -2011. – № 3 (4).

6. Колтарп, С., Вайд, Т. Стоя в полный рост наперекор погоде. Суровая погода подтверждает решение сетевой компании установить стеклопластиковые опоры // Воздушные линии. – 2010. – № 1.

7. Разработка композитного алюминиевоуглеродного провода для ЛЭП Создание промышленной технологии и организация производства // НПЦ Квадра, 2014. – Режим доступа: http://npckvadra.ru/wp-content/uploads/ 2013/10/komp_provod.pdf.

8. Сборник «Укрупненные стоимостные показатели линий электропередачи и подстанций напряжением 351150 кВ 324 тм -т1 для электросетевых объектов ОАО «ФСК ЕЭС» // Стандарт организации ОАО «ФСК ЕЭС» СТО 56947007-29.240.124-2012. – ОАО «ФСК ЕЭС», 2012.

9. Техника высоких напряжений. Учебник для вузов / И.М. Богатенков, Ю.Н. Бочаров, Н.И. Гумерова, Г.М. Иманов и др.; под ред. Г.С. Кучинского. – СПб.: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отд-ние, 2003.

Сверхпрочные материалы приходят в энергетику

Будущее энергетики уже немыслимо без композитных материалов. Прочные и легкие, они начинают применяться в атомной отрасли, электросетях, ветроэнергетике и нефтегазовой промышленности. EnergyLand.info удалось побывать на производственных площадях ХК «Композит» и увидеть, как создаются эти современные материалы.

Где пригодится композит?

Композиты — это искусственные материалы, состоящие из нескольких компонентов, обычно армирующих элементов и связующего. Существует несколько стадий производства композиционных материалов на основе углеродного волокна: сырье — углеродное волокно; полуфабрикаты — углеродные ткани (однонаправленные, двунаправленные, мультиаксиальные, нетканные структуры) и препреги; а также готовые изделия. Довольно часто, уже при создании композиционного материала, задается его конструкция.

Основные достоинства композитов — легкость и высокая прочность. Не удивительно, что первое применение они нашли в авиакосмической отрасли. Однако постепенно начали спускаться «с небес на землю», и в последние годы используются в автомобиле- и судостроении, строительстве и даже производстве спортинвентаря (клюшек, скейтбордов и т.д.).

В энергетике тоже открывается широкий простор для применения композитов. Мы ранее уже рассказывали о преимуществах композитных проводов («Токопроводящие материалы») и опор ЛЭП («На что опереться электросетям?»). Свойства композитов сулят им успех в такой молодой отрасли, как производство ветрогенераторов. Из углепластика можно производить лопасти, обладающие аэроэластичностью, что позволяет создавать турбины, эффективные даже при ветре малых скоростей.

Что касается углеволокна, то порядка двух третьих общего объема, производимого сегодня в России, потребляет атомная промышленность. Композиты, в частности, используются в создании центрифуг по обогащению урана, в ремонте и усилении промышленных зданий и сооружений. Планируется, что со временем композиты найдут широкое применение при строительстве АЭС. Речь идет об использовании композитной арматуры при производстве и монтаже бетонных конструкций, а также о применении композитных труб в градирнях. Привлекательность композитов связана с тем, что они не подвержены коррозии, являются диэлектриками, магнитоэнертны и не теряют своих свойств при сверхнизких температурах. Таким образом, их применение позволит повысить надежность и безопасность атомных станций нового поколения.

Композиты в России

С целью формирования рынка композиционных материалов в России по решению Наблюдательного совета РОСНАНО в 2009 г. была создана Холдинговая компания «Композит». В нее входят предприятия по производству углеродных волокон и тканей на их основе, а также препрегов. ХК «Композит» (г. Москва) управляет предприятиями «Аргон» (г. Балаково Саратовской обл.) и «Завод углеродных и композиционных материалов» (г. Челябинск), принадлежащими Госкорпорации «Росатом».

Сейчас «Композит» готовится к запуску нового завода «Алабуга-Волокно», расположенного в Республике Татарстан, в ОЭЗ «Алабуга». Предприятие будет производить более тысячи тонн углеродного волокна в год. Как только завод выйдет на проектную мощность, российский холдинг сможет занять 3% мирового рынка композиционных материалов. Пока на Россию в целом приходится скромная доля 0,5% от общемирового производства.

На сегодняшний день в ХК «Композит» интересуются возможностью создания и освоения новых технологий производства сырья углеродного волокна — ПАН-прекурсора — белого волокна, от свойств которого в значительной степени зависит прочность конечного продукта.

По словам академика РАН Александра Берлина, на сегодняшний день в России есть определенные сложности с получением высокопрочного углеродного волокна: «Среднего качества углеродное волокно мы умеем получать, но никак не можем выйти на высокопрочное. Прочность отечественных волокон в два раза ниже тех, которые, к примеру, производят наши японские конкуренты». Делиться же технологией производства ПАН-прекурсора по понятным причинам никто не хочет.

ХК «Композит» уже завил о готовности инвестировать в разработку РАН, касающуюся новых методов формования ПАН-прекурсора. Кроме того в рамках компании создан собственный Научно-исследовательский центр, занимающийся совершенствованием технологии производства базовых для компании продуктов, в том числе ПАН-прекурсора.

В поисках нового рецепта

В Научно-исследовательском центре ХК «Композит» идет работа над тем, как улучшить существующие технологии, повысить качество продукции, снизить ее себестоимость, а также разработать новые виды продукции. Именно здесь закладываются начала техпроцессов, которые впоследствии реализуются на производстве. К примеру, сейчас идет поиск альтернативной технологии производства ПАН-прекурсора с использованием нового растворителя. В ходе экскурсии нам удалось увидеть своими глазами, как появляется на свет это белое волокно.

Первая стадия технологического цикла производства углеродного волокна — это получение прядильного раствора, из которого в дальнейшем будет сформован ПАН-прекурсор. В лаборатории синтеза ПАН-сополимера исследуются процессы полимеризации, свойства полимеров, нарабатываются экспериментальные партии прядильного раствора для дальнейших исследований. Для подбора оптимальных рецептур и условий, используется трехлитровый реактор, что позволяет экономить время, труд и реактивы. При достижении необходимого комплекса свойств прядильного раствора полученные результаты масштабируют на двадцатилитровом реакторе, позволяющий нарабатывать достаточно большие партии для всесторонних исследований на следующих стадиях, в частности, формовании.

В емкость загружаются все компоненты: растворитель, мономеры, инициатор полимеризации. Смесь подогревается до определенной температуры, и начинается процесс полимеризации, который идет 3-4 часа. После этого начинается процесс отгонки мономеров: к реактору подключается вакуум, и все не вступившие в реакцию мономеры испаряются, собираются в конденсаторе, получается раствор чистого полимера в растворителе. …Сквозь прозрачный реактор видна вязкая жидкость, похожая на мед.

После исследования свойств данного раствора, его передают на линию формования, где получают белое волокно. Сначала смесь под давлением проходит через фильеру — что-то подобное решеточке у мясорубки, только отверстия здесь имеют очень маленький диаметр, зато их намного больше — от 1000 до 24000. Сколько отверстий, столько у будущего волокна будет «ниточек» — филаментов. Через фильеру раствор поступает в осадительную ванну. В ванне находится тот же растворитель, только в смеси с водой. Более низкая концентрация не растворяет полимер и он начинает осаждаться. Из ванны выходит белое волокно, состоящее из множества маленьких филаментов, похожих на тонюсенькие, но очень длинные спагетти.

Далее, чтобы волокно стало прочным, его нужно ориентировать, то есть заставить все молекулы полимера выстроиться относительно оси волокна в одну линию, тогда все они, при необходимости, будут работать на разрыв. Для этого волокно проходит две ванны вытяжки с горячей жидкостью. Сначала предварительная вытяжка (довольно слабая, чтобы не порвать волокно), потом — более сильная.

После вытяжки происходит промывка — волокно многократно проходит через промывные корыта, где из него выжимаются остатки растворителя. Если передать на окисление волокно с растворителем, оно может сгореть. Затем на волокно наносят защитные химические соединения («замасливатель»), чтобы защитить филаменты от трения между собой и о валы. Выбор «замасливателя» — важное ноу-хау, от него зависят последующие процессы переработки волокна. Потом влажное волокно идет на сушильные барабаны, имеющие температуру более 100°С, там остатки воды испаряются.

Далее сухое волокно снова тянут, чтобы получить максимальную прочность. Затем, чтобы волокно при последующей обработке не усаживалось, не растягивалось и не становилось хрупким, необходимо зафиксировать образовавшуюся структуру в специальных печах релаксации. В противном случае волокно, как растянутая резинка будет стремиться вернуться в исходное положение. Наконец, волокно передается на приемно-намоточный модуль, где принимается на бобины.

Максимальная производительность, на которую рассчитана установка ХК «Композит» — 10 т белого волокна в год при непрерывной работе, реально выпускается порядка 1,5 т в год. Полученный продукт передают в лабораторию, где изучают его физические и химические свойства, а также на следующую стадию — окисления и карбонизации.

От белого — к черному

В процессе окисления и карбонизации белое волокно превращается в черное углеродное. Экспериментальная установка ХК «Композит» по получению углеродных волокон разделена на две отдельные линии: первая предназначена для окисления или низкотемпературной обработки волокна, вторая — для последующей высокотемпературной обработки уже окисленного полуфабриката. В планах компании модернизировать участок, чтобы все процессы происходили на одной линии и не требовалось лишней перемотки нитей.

Линия окисления состоит из 3-секционных печей окисления (процесс происходит в среде воздуха), реверсивной транспортирующей системы и двух намоточных машин. ПАН-волокно на данной стадии устанавливают на приемно-намоточную машину, оно последовательно подвергается ступенчатому нагреву при температурах 200–300°С. На данной линии можно управлять всеми основными технологическими параметрами: температурой воздуха в зонах, деформацией волокна, скоростью линии (определяет продолжительность термообработки в каждой зоне). Также регулируется конечная плотность окисленного волокна. Проходя термообработку, волокно становится неплавким, негорючим и способным к дальнейшей высокотемпературной термообработке.

На второй стадии окисленное волокно проходит печь низкотемпературной карбонизации до 900°С в защитной среде азота (в кислороде оно бы просто сгорело). Затем вторая печь — высокотемпературной карбонизации до 1600°С. Для получения высокомодульных волокон, также предусмотрена печь на 2500°С.

Волокно на стадии термообработки имеет неактивную поверхность, поэтому необходимо улучшить его взаимодействие со связующим. Чтобы привить функциональные группы, на конце линии предусмотрена поверхностная электрохимическая обработка волокна. Далее ванна промывки, где смывается электролит, и наносится состав для увеличения упруго-прочностных свойств волокон в композиционном материале. В конце происходит намотка готового волокна.

Как и предыдущая, данная линия используется только для исследований, она позволяет отрабатывать все основные стадии технологического процесса.

Производство препрега

По соседству с Научно-исследовательским центром расположен цех, где производится препрег. Войдя, первым делом попадаешь на станцию смешения связующих. Здесь в специальных мешалках с регулируемой температурой соединяют по оригинальному рецепту два-три компонента связующего. Готовое связующее разливают по формам на столах охлаждения с температурой +7–10°С. После нескольких часов остывания в формах получаются брикеты связующего, имеющие при комнатной температуре вязкость 200–300 Па·с.

В цехе работает одна из самых больших в мире установок по производству препрега. Производительность линии 2000 т в год. В цехе установлена дорогостоящая климатическая установка, обеспечивающая постоянство влажности и температуры.

Первая линия в составе установки предназначена для нанесения связующего на силиконизированную бумагу, получаемый продукт называется «пленка», здесь обеспечивается до 90% качества будущего препрега. Брикет связующего устанавливается в верхней части машины, под ним расположен нагревательный стол с транспортной лентой. Брикет постепенно подогревается и транспорной лентой связующее попадает между двумя валами хот-мелт, на одном из которых, за счет зазора и вращения вала, образуется тонкая пленка связующего, переносящаяся на идущую ниже бумагу, поджимаемую к валу с пленкой резиновым валом.

Следующий этап происходит на трехуровневой установке. Для производства препрега необходимо минимум два рулона «пленки» со связующим, один из них ставят на первый уровень установки, второй рулон — на третий. На втором «этаже» они одновременно встречаются с пропитываемым материалом, т.е. снизу и сверху идет бумага с нанесенным связующим, а между ними пропитываемый материал. Получается «бутерброд»: бумага, связующее, материал, связующее, бумага. В трех парах каландров (машина с прокатными валами, придающая гладкость, лоск, ровную поверхность ткани или бумаге) за счет уменьшения зазора между каландрами и увеличения их температуры происходит переход связующего с поверхностей «пленки» внутрь материала.

Дальше необходим процесс контроля. Верхняя бумага уходит на третий этаж установки, препрег остается открытым и в таком виде предстает перед камерами, которые отслеживают преломление света, поступающего со специальных ламп. Если свет преломился, на этом участке есть дефект (непропитанная часть, места соединений и т.д.). на верхней поверхности препрега, тот же процесс происходит и с нижней поверхностью препрега, снимается бумага, происходит видеоконтроль. Вместе с готовым продуктом заказчику выдается 2D-схема, отражающая мельчайшие дефекты с точными координатами каждого. При формовке будущего изделия важно обращать внимание на эти места.

Линия имеет три плотномера, два из которых находятся на установке изготовления «пленки» и один на препреге, использующие изотопы, о чем свидетельствует предупреждающая табличка со значком «радиоактивно». Над и под бумагой с нанесенным связующим в перпендикулярном направлении относительно движения «пленки» постоянно двигается специальное устройство с верхним излучателем и нижним приемником. По количеству прошедших через просвечиваемый слой «пленки» меченых изотопов можно в процессе работы определить плотность и оценить правильность нанесения связующего и при необходимости изменить параметры работы установки в ручном или автоматическом режимах.

После проверки качества препрега на него накладывают транспортировочную пленку, маркируют и сматывают в рулоны. Максимальная ширина рулона 1,5 м, но его могут порезать и на более узкие куски. При температуре -18°С такой рулон можно хранить в течение года.

«Ткацкий станок»

На производственных площадях ХК «Композит» также можно увидеть, как создаются 3D-ткани из углеродного волокна. Гигантская машина контурного плетения позволяет делать текстильный материал нескольких видов.

Первый и основной вид материала — рукав из углеродного волокна. Он представляет собой закрытую бесшовную форму. На изделиях с круглым сечением из обычной ткани обычно бывает шов, а здесь нет слабых мест — это основное преимущество. К тому же, если подключить фантазию, из обычного волокна можно сформировать практически все что угодно — профиль любого сечения, вопрос только в подборе оснастки. До пропитки текстиль легко гнется, но если пропитать его смолой, получится композит, который будет легче и прочнее, чем металл.

Второй вариант работы оборудования реализуется с помощью промышленного робота. С его помощью можно создать изделие сложной геометрической формы с переменным диаметром или сечением — сделать фактически любую форму и оплести ее. Робот может подавать изделие как угодно, чтобы создавать переменные радиусы в разных направлениях. После пропитки такое изделие готово к использованию. К примеру, подобным образом можно делать рамки лобового стекла для автомобиля.

В третьем варианте берется труба на жестком сердечнике, которую можно оплести. Простейшее применение подобной технологии — опора мачты освещения. Нижнее основание опоры из композита может иметь окружность большого диаметра, а верхнее — квадрат, удобный для крепления оборудования. Затем текстиль также пропитывается смолой. Такое решение можно использовать и для трубопроводов.

Многообразие композиционных материалов предполагает еще немало интересных и непривычных с традиционной точки зрения технологических процессов и специфического оборудования. Впрочем, пожалуй, спустя пару десятков лет, когда композитные материалы прочно войдут в нашу жизнь, подобные производства уже никому не будут в диковинку. И, конечно, здорово, что такие промышленные линии уже сегодня возникают в России. Сейчас отечественным компаниям очень важно не упустить момент и занять уверенные позиции на мировом рынке.

«В России будет появляться конкурентоспособная продукция не просто как аналог существующих изделий, только более качественный или менее дорогой, — отметил Леонид Меламед, генеральный директор ХК «Композит». — Я уверен, что также нашим разработчикам и промышленникам удастся сказать какое-то новое слово, выпустить новые продукты и внести значимый вклад в общечеловеческую копилку».

Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter