Когда появились первые электростанции, то ротор электрогенераторов вращали поршневые паровые машины, и считалось, что это хорошо. Сейчас на тепловых электростанциях работают паровые и газовые турбины, некоторые из них производители продают с гарантией на 100 000 часов непрерывной работы, а это как-никак более 11 лет.
Т-176. Отряд догоняющих — солнечная энергия, ветер, земное тепло, Луна. Согласно статистике, 99 % всей электроэнергии в нашем мире производится на тепловых (ТЭС), гидро- (ГЭС) и атомных (АЭС) станциях. Как говорят сами названия этой тройки, электрическую энергию она создаёт за счёт сжигания различных видов топлива, за счёт энергии мощных потоков воды и за счёт процессов деления атомных ядер. Оставшийся 1 % приходится на долю, как их часто называют, альтернативных источников энергии (от латинского слова «альтер» — «совсем другого типа, нетрадиционный», в данном случае не такой, как основные поставщики электроэнергии). Сейчас мы коротко напомним о тех, альтернативных источниках энергии, которые стремятся догнать кого-нибудь из тройки основных производителей электричества.
Не пытаясь искать справедливую очерёдность, начнём с солнечного излучения (начнём с него и кончим им же — нечто особо важное и интересное о солнечных лучах будет сказано в конце этого раздела). Для нас, землян, солнечное излучение, как источник энергии, отличается тем, что о нём не нужно подробно рассказывать словами, достаточно привести одну цифру: если рядом с нашей планетой выделить перпендикулярную солнечным лучам площадку площадью 1 квадратный метр (например, квадрат со стороной 1 метр), то этому участку достанется мощность солнечного излучения 1,367 киловатта. Это довольно много, почти полтора киловатта, такой мощности достаточно, чтобы одновременно работали холодильник, телевизор, компьютер и ещё десяток довольно ярких электролампочек. Это очень много, 1,367 киловатта, если учесть, что мы находимся довольно далеко от Солнца, расстояние между нами 150 миллионов километров. На самой Земле, разумеется, можно получить среднюю мощность солнечного излучения почти в 2–3 раза, а то и в 5-10 раз меньше солнечной постоянной. Во-первых, потому, что Земля — шар, который вращается вокруг собственной оси, и в среднем 12 часов в сутки световая мощность, попадающая на затенённую (ночную) территорию, практически равна нулю. Во-вторых, даже в полдень мощность, близкая к солнечной постоянной, достаётся лишь экваториальным районам, и при движении к полюсам она убывает, в какое-то время года до нуля. Ну и, в-третьих, атмосфера, в основном облаками и тучами, заметно снижает солнечную энергию, добравшуюся к Земле.
ВК-209.Это было давно, но не очень: в 1837 году Морзе изобрёл свой телеграфный аппарат и через год придумал для него азбуку, применяемую поныне (азбука Морзе). А еще через 6 лет на этой основе начала работать первая американская линия электросвязи протяженностью несколько десятков километров. В те времена электричество ещё не очень было известно, и у него были явные конкуренты — звуковая и оптическая связь. Но выбор делали люди, сумевшие понять плюсы электричества, в том числе для связи.
Р-87. РАЗГРУЗКА БЕЗ ГРУЗЧИКОВ. Согласно статистическим таблицам, российская энергетика вырабатывает 15 % электроэнергии на гидроэлектростанциях, почти столько же на атомных и основное количество, а именно 70 %, на тепловых станциях, которые производят электричество, сжигая органическое топливо — нефтепродукты, природный газ, уголь. Уже много лет идут разговоры о том, что подземные запасы этого топлива не безграничны. Первой заставляет тревожиться нефть, разведанных запасов которой при нынешнем потреблении 3,8 миллиарда тонн в год хватит на 40 лет. Причём за последние 35 лет потребление нефти выросло в 1,5 раза. Несколько лучше пока обстоит дело с природным газом, его разведанных запасов должно хватить на 100 лет. Ну а запасов угля может быть достаточно лет на 200, хотя иногда публикуют более крупные цифры и даже намного более крупные. В то же время за углём, в основном из прошлого, тянется какой-то чёрный шлейф, в который вплетены трудное и опасное добывание угля в глубоких шахтах, нередкие аварии на них, тяжкая и грязная работа людей с углём и шлаком там, где этот уголь сжигают. Можно только гордиться тем, что на наших электростанциях, работающих с углём, уже давно поняли, что на всех участках этого огромного производства должна работать современная техника, в основном оставляющая человеку функции контроля и управления. На рисунке схематично показана система автоматической разгрузки вагонов с углём, уже давно применяемая на многих станциях. Вагон на короткое время выделяют из состава, с которым он прибыл, автоматы точно устанавливают его в поворотную раму (1) и закрепляют, затем рама поворачивается более чем на 90 градусов и весь уголь высыпается на ленту проходящего рядом транспортера (4). Посмотришь на сохранившиеся старые снимки, где замученные грязные работяги, в основном женщины, тащат к топкам корзины с углём или волокут на свалку корзины шлака, и ясно видишь, что на новые электростанции пришли не только новые машины и технологии, но и нечто более важное — человеческое отношение к человеку.
И всё же тяга к бесплатной энергии так сильна, что в экваториальной полосе шириной 500-1000 километров пытаются создавать опытные пока солнечные электростанции (СЭС), которые в среднем за год давали бы в электрическом виде 6–8 % солнечной постоянной, то есть примерно от 80 до 100 ватт с каждого квадратного метра светоприёмников, расположенных примерно на уровне земли. Одно из главных достоинств солнечной электроэнергетики в том, что в качестве светоприёмников она может использовать фотоэлементы, которые сразу превращают световую энергию в электрическую. Сегодня у серийных кремниевых фотоэлементов к.п.д. примерно 30 %, то есть, получив 100 ватт световой мощности, они выдают постоянный ток мощностью до 30 ватт, остальные 70 ватт в основном превращаются в ненужное в данном случае тепло. Если учесть все виды потерь (из-за ночной темноты, утреннего и вечернего снижения освещённости и, наконец, в самом фотоэлементе), то окажется, что на земле с квадратного метра покрытой фотоэлементами поверхности можно в лучшем случае получить 80-100 ватт электроэнергии, о которых уже говорилось. То есть чтобы получить мощность, близкую к той, что даст Богучанская ГЭС (Т-174), нужно иметь покрытую фотоэлементами площадь не меньше, чем 30 квадратных километров, например, прямоугольник размером 5х6 километров. Это во много раз меньше, чем дополнительно было забрано территории для водохранилища Богучанской станции, но это «во много раз меньше» всех проблем солнечной энергетики никак не решает. От фотоэлементов мы получаем постоянный (одного направления) ток, а нам нужен переменный ток с частотой 50 герц, чтобы солнечную электростанцию можно было включить в общую электросеть, от которой кормится вся страна. Выполнить необходимое преобразование постоянного тока в переменный при большой мощности — задача непростая. А тут ещё огромная площадь фотоэлементов, которые, во-первых, пока ещё очень дороги и, во-вторых, их чуть ли не целый день нужно чистить и мыть — панели фотоэлементов довольно быстро покрываются пылью, резко ухудшающей их светочувствительность, а значит, и к.п.д. Ну а кроме того, солнечная электростанция основную свою энергию даёт ближайшим соседям в такое время, когда она не очень-то нужна — пик нагрузки наблюдается утром, когда народ отправляется на работу, и вечером, когда люди возвращаются домой. В это время станция получает мало солнечной энергии или не получает её совсем. Это значит, что на станции должен быть мощный накопитель энергии, например в виде сверхмощной аккумуляторной батареи огромной ёмкости.
ВК-210.Чтобы рассказать о современном применении электроники, нужна книга побольше этой. Представлять себе такое применение начали, видимо, после 1910 года, когда уже прижилась электронная лампа. Затем последовали ещё два серьёзных события, резко расширившие возможности электронных технологий. Это появление транзисторов, позволивших вместо электронной лампы использовать кремниевую песчинку. И это интегральная — блок из миллиона деталей размером с почтовую марку.
Р-88. ВСЁ ТО ЖЕ САМОЕ, НО ПЕЧКА СОВСЕМ ДРУГАЯ. Человеку, который впервые знакомится с атомной электростанцией, полезно знать, что часть её — это обычная тепловая электростанция, которую можно увидеть в сотнях других городов. Это паровой котёл и паровая турбина, ось которой (иногда её называют вал) жёстко соединена с осью (с валом) электрогенератора. А вторая часть атомной электростанции, к которой собственно и относится слово атомная, — это источник тепла. Он делает то же, что и паровой котёл с топкой, — снабжает паровую турбину паром. Но на атомной электростанции котёл есть, а топки нет, и тепло даёт не горение, а ядерные реакции. Две цифры могут проиллюстрировать один из результатов такой замены — чтобы получить 10 кубометров работающего пара, нужно сжечь 100 килограммов угля или использовать энергию, которая выделяется при распаде атомов 20 граммов урана.
В списке достоинств атомной электроэнергетики много серьёзных разделов. Реакторы, например, в отличие от тепловых станций, не делают вредных выбросов в атмосферу и не потребляют кислорода. Но есть список недостатков атомных электростанций, на первом месте в нём несовместимость некоторых элементов станции с существованием биологических объектов. На любой атомной станции сделано всё необходимое для защиты обслуживающего персонала и ведётся жесткий контроль за состоянием среды, где находятся люди. В частности, деление ядер происходит в надёжно отгороженном пространстве по имени реактор. А основную часть тепла отбирают потоки теплоносителя (например, воды) первого контура, который с открытыми агрегатами станции не связан. Из него тепло «без касания» поступает во второй контур теплоносителя, и уже в нём создаётся пар, поступающий в паровую турбину.