/
Author: Веников В.А. Путятин Е.В.
Tags: электроника энергетика электроэнергетика учебное пособие издательство высшая школа
Year: 1978
Text
Введение
§ В.1. Общая характеристика курса
Книга предназначена для использования в качестве учебного
пособия по курсу «Введение в специальность», который читается
в первом семестре обучения и должен создать у учащихся основные
представления об их специальности — энергетике, ее значении
в современном обществе, истории ее развития, влиянии на техни-
ческий, социальный прогресс и биосферу.
Курс этот является одним из важнейших. Его влияние на сту-
дента-первокурсника, как правило, только что пришедшего со
школьной скамьи и мало знающего о своей будущей специальности,
очень велико. От успеха данного курса, от того, насколько заинте-
ресуется студент своей будущей специальностью, в значительной
степени зависит вся его последующая студенческая и даже инже-
нерная биография. В процессе работы над курсом студент не толь-
ко получает представление о своей будущей специальности, но и,
что немаловажно, получает определенные навыки работы в вузе.
В этом единственном за все время обучения общеэнергетическом
курсе студент получает представление о всех разделах
энергетики и их взаимосвязях, об энергетических системах и
основных, происходящих в них процессах преобразования, передачи
и потребления энергии, о принципах работы и конструктивном вы-
полнении энергетических установок, о современном состоянии и
перспективах развития энергетики.
Энергетика рассматривается как одна из подсистем единой гло-
бальной системы функционирования человеческого общества, вклю-
чающей, так же как подсистемы, окружающую среду и различные
отрасли хозяйства.
Понятия «энергетика» и «энергетическая наука»
употребляются давно, однако и в настоящее время вкладываемый
в них смысл нельзя считать установившимся.
Под энергетикой, или энергетической системой, следует пони-
мать совокупность больших естественных (природных) и искусст-
венных (созданных человеком) систем, предназначенных для по-
лучения, преобразования, распределения и использования в народ-
ном хозяйстве энергетических ресурсов всех видов*. На рис. В.1
показана такая совокупность систем, их прямые и обратные (штри-
ховая линия) связи. На этом рисунке и в приведенном выше опре-
делении подчеркивается системный подход к энергетике,
* Под энергетическими ресурсами понимаются материальные объекты, в ко-
торых сосредоточена энергия для возможного использования ее человеком.
6
Рис.
В.1. Энергетика и связанные с ней'подсистемы
при котором она рассматривается как большая система,
включающая на правах подсистем части других больших систем.
Из понятия энергетики вытекает понятие энергетической науки,
ее предмет и методы изучения.
Под энергетической наукой понимается система знаний о свой-
ствах и взаимодействиях энергетических потоков и влиянии их на
человеческое общество в социальном, экономическом и научно-тех-
ническом планах и влиянии на окружающую среду. Такое опреде-
ление энергетической науки соответствует общему понятию науки
как формы общественного сознания, отображенной в систему упо-
7
рядочепных знаний, которые корректируются в ходе социального и
'научно-технического прогресса.
Энергетическая наука занимается изучением закономерностей
процессов и явлений, прямо или косвенно связанных с получением
необходимых для народного хозяйства энергетических ресурсов и
созданием установок, вырабатывающих, преобразующих и потреб-
ляющих различные виды энергии.
Основой энергетической науки нужно считать Ленинский план
ГОЭЛРО, первый общегосударственный план, определивший зна-
чение электрификации для народного хозяйства и важность комп-
лексного подхода к энерго- и топливоснабжению страны.
Энергетическая наука, понимаемая в широком смысле, разви-
вается в трех основных направлениях:
1) изучение закономерностей развития и оптимальных пропор-
ций энергетики и электрификации, а также изучение природы и
свойств больших развивающихся систем в энергетике. Это направ-
ление, имеющее своей целью совершенствование методов прогнози-
рования, планирования и эксплуатации систем энергетики, тесно
связано с социальными процессами, экономикой страны;
2) совершенствование способов получения, преобразования,
передачи, распределения и использования энергоресурсов и энер-
гии различных видов; повышение коэффициента полезного дейст-
вия всех энергоустановок, уменьшение их экологического влияния
(неблагоприятного воздействия на природу и живые организмы,
т. е. на биосферу);
3) создание новых методов и средств получения энергии и пре-
образования различных видов энергии в электрическую; разработ-
ка новых способов передачи электрической энергии и ее использо-
вание в стационарных и подвижных установках. Здесь энергетика
очень тесно смыкается с физикой.
Энергетика представляет собой большую систему, призванную
способствовать реорганизации человеческого общества на основе
научно-технического прогресса и развития всего народного хо-
зяйства.
Энергетика, являясь большой системой, состоит из отдельных
подсистем, связанных между собой таким образом, что раздельное
рассмотрение подсистем невозможно без учета их взаимного влия-
ния и обратных связей.
Развитие и функционирование энергетики зависят от социаль-
ных и демографических факторов (политических и экономических
аспектов состояния данной страны, наличия в ней рабочей силы,
размещения населения, расположения источников энергии и т. д.).
Выработка энергии связана с ее потреблением в промышленности,
сельском хозяйстве, быту и на транспорте.
Будучи большой системой и взаимодействуя с рядом подсистем
(рис. В.1), энергетика в теоретическом аспекте связана с рядом на-
учных дисциплин и обычно рассматривается состоящей из отдель-
ных разделов. В этих разделах выделяют общую энергетику, управ-
ление энергетикой, включая проблемы кибернетики электрических
8
систем, электро-, гйдро- й теплоэнергетику, атомную энергетику.
К энергетике в широком плане относится также топливоснабжение,
включающее снабжение ископаемым топливом (углем, торфом,
газом, нефтью, ядерным горючим). Каждый из разделов энерге-
тики имеет определенные, в известной мере самостоятельные,
экономические, практические и научные задачи. Широту всех
этих задач, возникающих перед специалистами, работающи-
ми в отдельных отраслях и разделах энергетики, можно харак-
теризовать хотя бы тем, что специалисты-энергетики гото-
вятся сейчас более чем по 20 специальностям и 35 специализа-
циям (см. § В.З).
Такое дифференцирование энергетических проблем произошло
исторически. В настоящее время оно становится не вполне оправ-
данным, вызывая трудности при решении комплексных задач энер-
гетики, требующих от специалистов широкого кругозора в пробле-
мах, которые стоят перед современной и тем более будущей энерге-
тической наукой и техникой.
Изучение курса «Введение в специальность» относится к перво-
му этапу подготовки инженера.
Роль инженера в современном обществе велика и в перс-
пективе будет еще больше. В последние десятилетия понятие «ин-
женер» в значительной степени утратило ту творческую, изобрета-
тельскую сторону, которая должна быть для него характерна. Ведь
само слово «инженер» французского происхождения подразумева-
ет человека, способного к созданию нового, к изобретательности.
Понятие «техника» также связано с творческим характером труда.
Оно происходит от слова «техне», которым в Древней Греции
характеризовали ремесленников, особенно прославившихся своим
мастерством. Однако в современных условиях революционных из-
менений в сфере материального производства и в системе теорети-
ческих и прикладных наук функции инженера становятся более от-
ветственными, творческими и понятие «инженер» в силу объектив-
ных изменений вновь приобретает прежний творческий смысл.
Теперь и в будущем, когда нетворческую работу в сфере умствен-
ного труда будут выполнять вычислительные машины, возможно-
сти для творческой научной деятельности инженера расширяются.
Инженеры могут и должны непосредственно превращать науку
в производительную силу общества, используя ее достижения для
повышения производительности труда и качества йродукции в сфе-
ре материального производства.
Роль инженера и далее будет очень велика. В. И. Ленин говорил,
что без новейшей техники, без новых открытий и новых проникно-
вений в тайны природы мы коммунизм не построим. И вот эти
проникновения в тайны природы и должны осуществлять инжене-
ры-энергетики. Поэтому они должны быть специалистами, способ-
ными творчески, на высоком научном и техническом уровне решать
стоящие перед ними задачи и те проблемы широкого плана, кото-
рые затрагивают самые различные, все расширяющиеся сферы
деятельности человека.
9
Рис. В.2. Потоки основных энергетических ресурсов в мире (примерный характер)
В будущем еще заметнее будут проявляться особенности энер-.
готики, связанные с соизмеримостью мощностей искусственных
энергетических установок и естественных геофизических процессов,
влияющих на состояние планеты. Энергетика будет играть все бо-
лее значительную роль, являясь как демографическим, социаль-
ным, так и политическим фактором,' влияющим на взаимоотноше-
ния между государствами и во многом определяющим политику
ряда стран. Направленные по всему миру потоки различных энер-
гетических ресурсов, общий качественный характер которых при-
ближенно показан на рис. В.2, проявляются в виде мощных факто-
ров при развитии взаимоотношений, возникновении конфликтов и
заключении договоров между некоторыми капиталистическими
государствами.
Характерные особенности энергетики, особенно важные на сов-
ременном этапе технического прогресса, приводят к новому под-
ходу в решении инженерных задач, основанному на учете факторов
широкого плана, затрагивающих разные аспекты деятельности че-
ловеческого общества по выработке новой инженерной психологии.
§ В.2. Значение энергетики в техническом прогрессе
Развитие человеческого общества и его успехи на пути цивили-
зации и прогресса непосредственно связаны с повышением произ-
водительности труда и улучшением материальных условий жизни
людей. Необходимое условие научно-технического и социального
.прогресса состоит в увеличении количества потребляемой энергии
и освоении новых, более эффективных ее видов.
Количество потребляемой современными машинами энергии
очень велико. Представление об этом количестве может дать сле-
дующее образное сравнение: все работоспособное население мира,
работая с полным напряжением физических сил по 8 ч в сутки,
не смогло бы за год выработать одной сотой энергии, получаемой
сейчас за счет сжигания топлива и энергии рек. Потребление энер-
гии и в дальнейшем должно возрастать, обеспечивая повышение
производительности труда, что, как указывал В. И. Ленин, всегда
являлось и является самым важным, самым главным для победы
нового, более прогрессивного общественного строя.
Построение высокоразвитого коммунистического общества, в
котором очень широко будут использоваться совершенные, автома-
тически управляемые машины, заменяющие физический и нетвор-
ческий умственный труд, возможно только при еще более значи- |
тельном увеличении потребляемой энергии и росте производитель-
ности труда.
Процесс потребления энергии на нашей планете исторически
протекал крайне неравномерно. Ориентировочное представление о
нем может дать приведенная на рис. В.З кривая (сплошная линия),
указывающая на резкое возрастание потребления энергии начиная
с XX в. Так, человечество за всю историю своего существования из-
расходовало примерно 900—950 тыс. ТВт-ч энергии всех видон,
11
причем около 2/з этого количества приходится на последние 30 лет.
Характерна здесь и неравномерность в потреблении энергии. Так,
в доисторическую эпоху каждый человек, использовавший свою
мускульную силу и энергию впервые зажженного костра, тратил
приблизительно одинаковое количество энергии. Приближенно
можно считать ее распределение равномерным — 1 : 1. В наше вре-
Рис. В.З. Возрастание расходуемой энергии и развитие культуры:
• суммарный расход энергии всех видов за предшествующий период
развития (тыс. ТВт-ч); цифрами 1:1 и 1 : 40 обозначены неравномерности
в потреблении энергии на душу населения в различные исторические эпохи;
------накопленная человечеством информация, выраженная в байтах (Ю14 —
оценка ее на 1974/75 год)
мя неравномерность в потреблении энергии на душу населения ста-
ла огромна: для различных стран она выражается отношением
1 : 40. Неравномерность в потреблении электроэнергии еще больше.
Так, на одного жителя в Норвегии приходится около 14 000 кВт-ч,
в то время как в Индии — всего лишь 100 кВт-ч.
Увеличение расходуемой энергии связано с развитием цивили-
зации, расширением и углублением знаний человека об окружаю-
щем его мире. Объем знаний со временем увеличивается по мере
того, как человек развивает культуру — искусство, науки, откры-
вает новые свойства материи. Приближенно все эти знания, отра-
жающие уровень развития цивилизации, можно оценить количест-
вом накопленной информации, измеряемой условной единицей —-
байтом. Интересно отметить, что потребление энергии и накопле-
ние информации имеют примерно одинаковый характер изменения
во времени (штриховая линия, рис. В.З). Нужно иметь в виду, что
общая накопленная информация, оцениваемая количественно в
байтах, конечно, не отражает ее различной ценности при огромном
качественном своеобразии. Простой подсчет знаков в книгах одина-
ково учитывает творения и гениальных авторов, и весьма посредст-
венных. Этот показатель применим только для грубых ориентиро-
вочных оценок, выявления общих тенденций в развитии.
12
Влияние энергетики на культуру, духовное развитие чело-
века образно охарактеризовал К. Г. Паустовский, сказав, что лиш-
няя тонна угля — это лишняя книжка хороших стихов, это тепло,
свет, это спрессованная в черном блестящем камне сила жизни,
сила и богатство мыслей и ощущений нашей эпохи. В самом деле,
обеспечение энергией — это необходимая основа для того, чтобы
человек мог творчески создавать новую технику, заниматься нау-
ками, искусством, литературой •— всем тем, что обобщенно называ-
ют культурой.
Огромное значение энергетики и прогресса энергетической тех-
ники состоит в том, что они обеспечивают повышение производи-
тельности труда, а следовательно, и увеличение выпускаемой про-
дукции.
Рис. В.4. Связь расхода энергии и объема выпускаемой продук-
ции:
а — разные страны; б — по годам; 1, 2 — реальная зависимость и ее уп-
рощенное представление
На рис. В.4, а показана зависимость валового национального
дохода населения D от расхода энергии Э. Доход США, выражен-
ный в долларах, и энергия, определенная в условных единицах
Btu*, отнесены на душу населения. На рис. В.4, б показан характер
зависимости выпуска продукции от расхода энергии с указанием
. , * Для подсчета энергии употребляется Btu — Британская единица тепла, iw
торая равна 0,293 Вт'Ч или 1,055 кДж.
13
времени. Зависимости, построенные в логарифмическом Масштабе,
оказываются почти Линейными.
Современный период развития техники, соответствующий прог-
рессивному потреблению энергии и по праву называемый периодом
научно-технической революции, качественно отличается от пред-
шествующих этапов развития. Качественное отличие в первую оче-
редь состоит в огромном, революционном сдвиге в развитии произ-
водительных сил, создании в широких масштабах технически совер-
шенных, оснащенных высокоэффективной автоматикой средств
труда.
Научно-техническая революция представляет собой сложный
процесс, приводящий к различным социальным последствиям в со-
циалистическом обществе, строящем коммунизм, и в условиях ка-
питалистического развития. Прогресс в науке и технике определяет-
ся единством определенных эволюционных и революционных изме-
нений. При этом в случае имеющихся предпосылок воздействие
внутренних закономерностей развития науки и техники и общест-
венных потребностей могут перевести эволюционные изменения в
революционные. Любая техническая революция характеризуется
коренными изменениями в средствах труда или технологии. Она
может охватить отдельные элементы техники или целые ее отрасли.
В последнем случае складывается качественно новая материально-
техническая база общества.
Рассматривая современную научно-техническую революцию,
нужно учитывать историю развития техники, важнейшие ее дости-
жения и научные открытия последних лет. Развитие новых обла-
стей связано с успехами в физике, радиоэлектронике, кибернетике,
молекулярной биологии, бионике и многих других. Успехи в обла-
сти автоматизации, электрификации производства, транспортной
технике также существенны для настоящих и будущих революцион-
ных измененией в энергетике и энергетической науке, которая в свою
очередь существенно влияет на ход научно-технической революции.
Технический прогресс и развитие цивилизации с далеких исто-
рических времен непосредственно были связаны с количеством и ка-
чеством используемых энергоресурсов. Но если на первых этапах
развития человек располагал только своей мускульной энергией и
мускульной силой животных, то затем большую часть труда он стал
возлагать на машины.
Сознание человека, его разум развивались по мере совершенст-
вования средств труда, развития производительных сил по мере то-
го, писал Ф. Энгельс, как человек научался изменять природу.
Пытаясь проникнуть в тайны природы, человек стремился исполь-
зовать ее возможности для своих нужд. Со временем ему понятнее
становились такие явления природы, как молния, солнечное тепло,
морские приливы и отливы и многие другие, которые для древнего
человека были таинственными силами. Преклоняясь перед ними и
перед стихиями природы, человек обожествлял их. У многих древ-
них народностей не случайно верховным богом считалось Солнце.
Эго наивное представление о Солнце правильно оценивает его зна-
чение как Источника почти всей энергии, используемой человечест-
вом, как источника жизни. Солнечное тепло было первым источни-
ком энергии, которым пользовался человек.
От древних треков до наших дней дошла легенда о Прометее,
который похитил на небе огонь и принес его людям. Эта легенда
донесла до нас весть о величайшем событии в жизни человечества,
о том, что люди научились добывать и поддерживать огонь, при-
менять химическую энергию, запасенную в органическом топливе.
Эта форма энергии и в настоящее время наиболее широко исполь-
зуется человеком.
Освоение природных энергетических ресурсов стимулировало
создание машин, выполнявших довольно сложные операции и поз-
волявших переложить на них значительную часть вначале физиче-
ского, а затем (в наше время) и нетворческого умственного труда.
Совершенствование машин высвобождало время человека для наи-
более творческой работы, позволяло глубже проникать в законы
природы, используя их для своего блага. Это, в свою очередь, спо-
собствовало созданию еще более совершенных орудий труда.
Потребности в энергии постоянно возрастали, что вынуждало
изыскивать новые энергоресурсы и новые способы преобразования
энергии из одного вида в другой. Сегодня стало уже традиционным
использование таких видов энергии, как энергия Солнца, химиче-
ская энергия органического топлива, механическая энергия воды в
реках, морях и океанах, энергия ветра, внутриядерная энергия, по-
лучаемая при делении тяжелых ядер. Весьма перспективно исполь-
зование термоядерной энергии, получаемой при синтезе легких эле-
ментов, реализация которого снимет на все исторически обозри-
мое время проблему удовлетворения человечества запасами энер-
гии, ту проблему, которая возникает в связи с истощением запасов
органического топлива. Возвращаясь к вопросу о развитии энерге-
тики, надо заметить, что бурный прогресс техники и тот уровень, ко-
торого она сейчас достигла, был бы невозможен без использования
качественно новых видов энергии, в первую очередь электрической
энергии. Электрическая энергия по праву может считаться основой
современной цивилизации. Можно без преувеличения сказать, что
без электрической энергии невозможна нормальная жизнь совре-
менного общества. Электрическая энергия широко используется в
промышленности для приведения в действие самых различных ме-
ханизмов и непосредственно в технологических процессах, на транс-
порте, в быту. Работа современных средств связи — телеграфа, те-
лефона, радио, телевидения — основана на применении электриче-
ской энергии. Без нее невозможно было бы развитие кибернетики,
вычислительной техники, космической техники и т. д. Именно элект-
рическая энергия, как это и было предсказано классиками марк-
сизма-ленинизма еще на заре ее становления, явилась той движу-
щей силой, которая привела к созданию крупного машинного про-
изводства, обеспечившего невиданное развитие производительных
сил. Основные отличительные свойства электрической энергии со-
стоят в том, что она может легко передаваться на большие расстоя-
15
ния и относительно просто с малыми потерями преобразовываться
в другие виды энергии.
Иллюстрацией значения электроэнергетики, хотя" и печальной,
в жизни современного общества служит известная авария в 1965 г.
в США, когда на длительное время обширные районы страны,
включая Нью-Йорк, остались без электричества. Отсутствие элект-
ричества парализовало жизнь в крупных городах, в них внезапно
остановился электрический транспорт, отказали лифты, перестали
работать установки для кондиционирования воздуха, вентиляторы,
погас свет и т. п. Эта авария вызвала глубокие моральные потря-
сения и тяжелые материальные последствия.
В последнее время более заметной становится связь энергетики
с биосферой, т. е. тем пространством, в котором существует все
живое. Это происходит потому, что мощности и энергии, которые
человек научился получать искусственным путем, стали соизмери-
мыми с мощностями и энергиями природы, действующими в естест-
венном порядке на нашу планету. Мощности, получаемые челове-
ком, соизмеримы с мощностями геофизических и геологических
процессов, процессов, происходящих в атмосфере, и даже космиче-
ских процессов. Таким образом, понятие энергетики нельзя ограни-
чить только рамками искусственных систем — систем, создаваемых
человеком, необходимо учитывать теснейшее взаимодействие искус-
ственных систем с естественными системами природы.
Примерные соотношения между мощностями искусственных,
созданных человеком установок, и мощностями естественных гео-
физических процессов иллюстрируются рис. В.5 (мощности приве-
дены в млрд. кВт.). В течение года Солнце излучает в космос ог-
ромное количество энергии Э, из которой на Землю, имеющую по-
верхность 5-108 км2, приходится примерно 7,5- 1017 кВт-ч, что соот-
ветствует средней мощности 85 600 млрд. кВт*.
В течение 1975 г. на Земле была использована энергия всех ви-
дов первичных энергоресурсов в количестве 73-1012 кВт-ч. Услов-
ная средняя мощность, определяемая этой величиной потребления
человеком первичных энергоресурсов, составила 8—9 млрд. кВт.
На 1 км2 поверхности Земли приходится средняя мощность из-
лучения Солнца, равная 17 -104 кВт, и средняя мощность использо-
вания первичных энергоресурсов, равная 17 кВт. Эти мощности по-
ка еще значительно (в 104 раз) различаются между собой. Солнце
играет основную роль в тепловом балансе Земли. Его мощность из-
лучения, приходящаяся на Землю, во много раз больше мощности
явлений природы и мощностей, получаемых человеком. Мощность
Солнца соизмерима только с мощностью, развиваемой вращением
Земли вокруг своей оси (3-1013 млрд. кВт), которую в настоящее
* Эти цифры, характеризующие полученную Землей от Солнца энергию, ори-
ентировочны, так как зависят от того, на каком уровне (верхний слой биосферы,
поверхность Земли, оксана и т. д.) они определены. В различных литературных
источниках величины эти колеблются в довольно широких пределах, равно как
и цифры, определяющие мощность источников энергии на Земле. Все они должны
рассматриваться только как характеристики порядка величин.
16
Рис. В.5. Приблизительные соотношения мощностей и энергий геофизических процессов и искусственных (созданных челове-
ком) энергетических установок
17
время человек не может использовать. Однако суммарная мощности
всех электростанций мира (1,5 млрд.кВт) уже соизмерима с мощно-
стью многих явлений природы. Так, средняя мощность воздушных
течений на планете составляет (25-4-35) • 109 кВт. Такого же по-
рядка средняя мощность ураганов — (304-40) • 109 кВт. Суммарная
мощность приливов (2-4-5) • 109 кВт. Проводя сопоставление мощно-
стей, следует учитывать, что кроме стационарных электростанций
имеется большое число передвижных энергетических установок.
Например, мощность всех действующих пассажирских самолетов
составляет не менее 0,12 -109 кВт, что соизмеримо с мощностью всех
электростанций европейской части Единой энергетической системы
Советского Союза. Стационарные электростанции даже при мень-
ших мощностях оказывают заметное влияние на биосферу, так как
у них гораздо больше продолжительность работы в течение года.
Искусственные энергетические процессы обычно оказывают
большое влияние на биосферу и происходящие в ней процессы.
Причем зачастую это влияние носит неблагоприятный характер.
Так, большую тревогу вызывает загрязнение атмосферы, обуслов-
ленное эксплуатацией энергетических и прочих установок, и изме-
нение ее газового состава, обусловленное сжиганием больших ко-
личеств органического топлива; загрязнение мирового океана; ист-
ребление лесов, затопление суши при сооружении гидроэлектро-
станций; тепловое загрязнение водоемов тепловыми электростан-
циями и общее изменение всего теплового баланса планеты. Оче-
видно, что планирование и проектирование энергетических систем,
их развитие и эксплуатация должны осуществляться с учетом всех
аспектов влияния на окружающую среду. Отсюда к инженеру-энер-
гетику предъявляются но-
вые требования больших
знаний о природе и про-
исходящих в ней явле-
ниях.
Энергосистема, в кото-
рой производится элект-
рическая и тепловая
энергия, непосредственно
связана с системой топли-
воснабжения, т. е. с си-
стемой обеспечения пер-
вичными энергоресурса-
ми (рис. В.6). Сооружение
энергосистемы и условия
ее работы во многом оп-
ределяются природными
факторами, например на-
личием водоемов, и гео-
графическим расположе-
нием энергоресурсов и
потребителей. Состояние
18
биосферы, уровень загрязнения ее, связанный с работой энергети-
ческих установок, накладывают определенные ограничения на тех-
нические характеристики и условия работы энергосистем. Здесь
прослеживаются прямые и обратные связи между биосферой
и энергосистемой.
Управление энергосистемой должно производиться как с учетом
влияния ее на биосферу, так и с учетом социальных функций топ-
ливоснабжающей системы, потребности в энергии промышленности
и транспорта и других факторов. Управление производится не толь-
ко выработкой энергии в энергосистеме, но и потреблением ее
в различных отраслях народного хозяйства. Все это говорит о необ-
ходимости очень широкой подготовки инженера-энергетика.
§ В.З. Современная система высшего технического
и энергетического образования
В нашей стране существует утвержденная государством система
высшего образования и номенклатура специальностей, соответст-
вующих потребностям в них общества.
Все специальности, по которым студентам высших учебных за-
ведений страны дается высшее образование, разбиты на 22 группы.
К первой группе относятся специальности по геологии, ко второй —
по металлургии, к третьей — по энергетике и т. д. Например, к ше-
стой группе относятся специальности по электронной технике и
электроприборостроению, а к двадцать второй — по искусству во
всех его видах (рис. В.7).
Группа энергетических специальностей (третья, рис. В.7) раз-
бивается в свою очередь на отдельные специальности и специали-
зации. Номера энергетических специальностей начинаются с цифры
3, что соответствует третьей группе, далее идет номер специально-
сти и в дополнительных буквенных подразделениях идут специали-
зации. Например, специальность «Электрические станции» обозна-
чается 0301 и разбивается на специализации: 0301а — электриче-
ская часть тепловых станций, 03016 — гидростанций, 0301в —•
атомных станций.
На рис. В.8 приведена схема, на которой видны пути получения
энергетического образования по различным энергетическим спе-
циальностям после окончания средней школы. Такие специально-
сти можно получить или работая на производстве, или пройдя курс
обучения в техникуме (получив квалификацию техника), или после
обучения в институте (получив квалификацию инженера). После
2—3 лет работы инженер может повысить свое образование, пройдя
курс обучения в аспирантуре, далее выполнив и защитив квалифи-
кационную научную работу на соискание ученой степени кандида-
та, а затем доктора технических наук.
Все специальности, связанные с энергетикой, представлены на
рис. В.9. Собственно энергетические специальности подраз-
деляются на электро-, тепло- и гидроэнергетические.
Кроме того, имеется группа т о п л и в н о-э нергетических спе-
19
Рис. В.7. Структура специальностей и место в ней энергетики
20
циальностей, где готовятся специалисты по разработке полезных
ископаемых, проектированию и эксплуатации нефтепроводов и га-
зопроводов. К группе строительных специальностей
относятся такие, как строительство тепловых и гидравлических
станций. При строительстве и эксплуатации шахт по добыче полез-
ных ископаемых для обслуживания электротехнического оборудо-
вания привлекаются специалисты по горной электротехнике (0634).
К группе электроэнергетических специальностей относится также
электрификация сельскохозяйственного произ-
водства (1510). Прямое отношение к энергетическим специаль-
ностям имеют экономические энергетические спе-
циальности— горная промышленность (1705), нефтяная и
газовая промышленность (1706) и экономика энергетики (1707).
Описанная система высшего образования, принятая в нашей
стране, в целом весьма успешно решает задачу подготовки инжене-
ров и специалистов еще более высокой квалификации: докторов и
кандидатов технических наук. Показательно то, что в СССР
Рис. В.8. Система энергетического образования
21
Рис. В.9. Распределение
22
1510-Электрификация сельского хозяйства
Группы специальностей
03- энергетические
02—топливо энергетические
12-с троительные
17— экономические
специалистов-энергетиков по местам работы
23
в настоящее время работает более 100 млн. граждан, получивших
высшее и среднее образование, из них 3,37 млн. инженеров. На
каждую тысячу жителей страны приходится более 130 человек
с высшим или средним специальным образованием. Инженеров в их
числе 13 человек. Ежегодно в народное хозяйство направляется
700 тыс. специалистов с высшим образованием и 1 млн. 146 тыс. со
средним образованием (данные 1975 г.). В различных областях
науки и техники заняты 1 млн. 170 тыс. научных работников, со-
ставляющих четвертую часть всех научных работников мира.
В настоящее время в СССР имеется 850 высших учебных заве-
дений, в которых обучается около 5 млн. студентов. Более полови-
ны от общего числа студентов обучаются по дневной форме,
а остальные — по вечерней и заочной формам.
Советская система высшего образования страны является ча-
стью общей системы ее образования, которая основывается на под-
линно демократических принципах, в основном сводящихся к сле-
дующим положениям;
— равенство всех граждан в области образования, его обяза-
тельность для всех детей, подростков, юношей и девушек;
— доступность среднего и высшего образования, бесплатность
обучения во всех звеньях системы народного образования;
— единство, взаимосвязь и преемственность всех ступеней обра-
зования и типов школы (общеобразовательной и профессиональ-
ной, средней и высшей);
— единство обучения и воспитания;
— связь обучения и воспитания подрастающих поколений с
жизнью, трудом, практикой коммунистического строительства;
— научный характер содержания образования, его постоянное
совершенствование на основе современных достижений науки и
техники, культуры и искусства и удовлетворение возрастающих
духовных потребностей граждан;
— сочетание в образовании принципов советского патриотизма
и социалистического интернационализма;
— возможность обучения на родном языке и свобода выбора
языка обучения;
— гуманистический и высоконравственный характер образова-
ния, направленного на воспитание граждан с самых ранних лет
в духе морального кодекса строителя коммунизма;
— светский характер образования, независимость его от рели-
гиозных убеждений при определенной направленности на форми-
рование научно-атеистического мировоззрения граждан.
Современные условия быстрого научно-технического и социаль-
ного прогресса требуют, чтобы специалисты обладали способностя-
ми быстро адаптироваться к изменяющимся условиям, осваивать
новые достижения в науке и технике как в своей области, так и
в других областях и использовать эти достижения в практической
работе. Поэтому специалист должен вырабатывать навыки и раз-
вивать способности к усвоению знаний и формированию их в опре-
24
деленные системы. Специалист, остановившийся в своем развитии,
теряет квалификацию.
Студенты начиная с 1-курса обучения в высшем учебном заведе-
нии должны вырабатывать способность критически мыслить, само-
стоятельно ставить и решать задачи, овладевать знаниями и твор-
чески их использовать. Студент, обучающийся в высшем учебном
заведении, должен не только овладеть знаниями по своей основной
специальности. В будущем он должен стать организатором произ-
водства, руководителем коллектива. А эти качества также должны
быть приобретены в вузе.
Таким образом, вуз должен подготовить не только специалиста
в узком смысле слова, но и человека, способного творчески осу-
ществлять многогранные планы коммунистического строительства.
Сочетание теоретического и практического обучения всегда бы-
ло отличительной особенностью советского образования. К этому
призывал В. И. Ленин, и это твердо принято в практике работы
высшей школы. Большое значение должна иметь практика, приоб-
щая студента и к производству, и к общественной деятельности.
Для того чтобы молодой специалист помимо прочего был еще и
организатором, умел работать с массами, вести политико-воспита-
тельную работу, он сам должен быть прежде всего достаточно по-
литически вооружен. Вот почему такое внимание уделяется марк-
систско-ленинскому образованию и коммунистическому воспита-
нию.
На Всесоюзном слете студентов, говоря о том, каким должен
быть современный советский специалист, Л. И. Брежнев сказал,
что он должен быть интеллигентом в полном смысле слова. А это
обязывает обратить внимание на развитие таких качеств, как граж-
данственность, высокая культура, человечность, социалистический
патриотизм и интернационализм. Отсюда опять-таки возрастает
роль гуманитарных наук.
Мы говорим о том, что вуз должен дать знания, но знания сами
по себе еще не являются мировоззрением, убеждением. Они только
материал, который накоплен и обобщен непосредственно жизнен-
ным опытом. И этот опыт должен быть связан с теоретическими и
научными проблемами. Знания, которые оставляют человека без-
различным к их содержанию, не могут перейти в принципы, в убеж-
дения и определять поведение человека. Как показывает опыт,
важнейшим условием превращения знаний в убеждения является
органическое соединение теоретического изучения марксизма-лени-
низма с общественно-политической практикой. В связи с этим при-
ведем слова А. В. Луначарского: «Мы хотим, чтобы комсомолец
очень рано начинал свою общественную деятельность... чтобы то,
что называется академической учебой и общественной деятельно-
стью, представляло бы неразрывные стороны одного целостного
процесса его роста — умственного и общественного» *.
•Луначарский А. В. О воспитании и образовании. «Педагогика»,
1976, с. 338 [Культпоход комсомола, 1929].
25
W''?
При рассмотрении технических проблем важно понять не только
задачи, но и особенности социалистического строя, который откры-
вает широкий простор для развития науки и создает возможности
планового решения проблем, выдвигаемых научно-техническим
прогрессом. Однако эти возможности реализуются не автоматиче-
ски. Они должны быть реализованы при введении определенных
эффективных экономических стимулов, обеспечивающих внедрение
технических достижений в промышленное производство. Качествен-
ные преобразования, которые происходят во всех сферах жизни на-
шего общества под воздействием научно-технической революции,
требуют постоянного совершенствования методов планирования и
руководства народным хозяйством. В то же время современная
техника предъявляет новые требования к человеческой деятельно-
сти. И эти новые требования могут быть полностью рассмотрены и
оценены только в свете широкой общей постановки задачи. При
изучении специальных предметов нужно исходить из того, что твор-
чески мыслящим человеком можно стать только действительно
овладев основами диалектического и исторического материализма.
Для этого он прежде всего должен осмыслить изучаемые им спе-
циальные науки, отчетливо понимая закономерности технического
прогресса и место в нем этих наук. Творческое овладение достиже-
ниями науки и практики является в наши дни профессиональной
обязанностью каждого специалиста. Ведущей чертой его профес-
сионального облика становится умение быстро ориентироваться
в условиях быстрого перевооружения производства, новых дости-
жений в науке и технике. Но всего этого еще недостаточно, надо,
кроме того, учесть то важное обстоятельство, что, именно идя от
своей специальности, отталкиваясь от свойственных ей закономер-
ностей развития, студент должен подойти к выработке диалектико-
материалистического взгляда на природу и общество и роль в об-
ществе его деятельности. В этом одна из важнейших задач обучаю-
щегося в высшем учебном заведении.
Такая возможность и даже необходимость — отталкиваясь от
своей специальности идти к пониманию закономерностей социаль-
ного и технического прогресса и всей картины развития мира —
должна быть основной в проблеме формирования научного миро-
воззрения. Как говорил В. И. Ленин, каждый специалист придет
к коммунизму по-своему, от области своей деятельности, агроном
по-своему, инженер по-своему.
§ В.4. Сведения об истории высшего технического, энергетического
и электротехнического образования*
Развитие высшего технического образования началось примерно
с последней трети XVIII в. Первый период становления высшего
образования в России протекал в условиях феодально-крепостни-
* См. более подробно «История энергетической техники СССР». ГЭИ; 1957;
«МЭИ, 1907—1975». «Энергия», 1975.
26
чсских отношений и начинающегося капиталистического производ-
ства. Промышленный переворот, происшедший на Западе в конце
XVIII в. и завершившийся там в первой четверти XIX в. победой
капиталистического способа производства, в России начался позже,
примерно со второй четверти XIX в. Потребность в инженерных
кадрах высокой квалификации в тот период была сравнительно
небольшой, но и она полностью не покрывалась инженерами и ма-
стерами, которых выпускали существовавшие тогда русские выс-
шие технические школы. Фабрично-заводские предприятия привле-
кали в тот период на руководящую работу обычно иностранцев, в
большом количестве прибывающих в Россию и успешно устраиваю-
щихся на русских заводах. Широко привлекая иностранцев, правя-
щие круги и капиталисты часто проявляли недоверие к отечествен-
ным специалистам и не уделяли достаточного внимания их подго-
товке.
Однако уже в XVIII в. стали создаваться высшие школы, подго-
тавливавшие специалистов для отдельных отраслей промышлен-
ности. Первым институтом в России был созданный в 1773 г. Гор-
ный институт, затем в 1779 г. — Межевой институт, в 1803 г. — Лес-
ной институт, в 1809 г.— Институт Сухопутных и водных сообще-
ний, который в 1810 г. был переименован в Институт инженеров
путей сообщения. Затем создавались строительные учебные заве-
дения, такие, как Практический технологический институт (в
1831 г.) и Строительное училище, переименованное впоследствии
в Институт гражданских инженеров (в 1842 г.).
Фабрично-заводская промышленность предъявляла спрос на
инженеров универсального профиля, и поэтому началась подготов-
ка инженеров-путейцев и технологов политехнического типа.
Энергетическое хозяйство того времени базировалось исключи-
тельно на применении водяного колеса и паровой машины и могло
обходиться услугами инженеров-механиков и техников-механиков.
Уровень хозяйства того времени не вызывал необходимости в под-
готовке инженеров-энергетиков.
Начиная с 30-х годов XIX в. стала получать практическое при-
менение электротехника, и примерно тогда же началась подготовка
специалистов в этой области. В 1840 г. при лейб-гвардии саперном
батальоне был организован офицерский класс для изучения магне-
тизма и гальванизма, в 1856 г. было создано техническое гальвани-
ческое заведение, а Главное инженерное училище военного ведом-
ства стало готовить инженеров по электротехнике.
После реформы 1861 г. в России начался подъем промышлен-
ности: строительство фабрик и заводов, железных дорог. Появилась
потребность в инженерах, и начали открываться новые учебные за-
ведения. В 1862 г. открылся Рижский политехнический институт,
в 1885 г. — Харьковский технологический институт, в 1888 г. Мо-
сковское ремесленное училище было преобразовано в Высшее им-
ператорское техническое училище. Постепенно стали создаваться
специализированные высшие технические заведения. Так, в Петер-
бурге открылся электротехнический институт. В старейшем поли-
27
техническом институте — Петербургском технологическом институ-
те— в 1884 г. появилась электротехническая специальность.
Первым высшим электротехническим учебным заведением
.в России было Телеграфное училище Министерства внутренних
дел, основанное в 1886 г. Оно было рассчитано на трехлетний курс
обучения. Телеграфное училище затем было преобразовано в Эле-
ктротехнический институт с четырехлетним курсом обучения. В свя-
зи с прогрессом электротехники и накоплением опыта преподава-
ния в институте стали создавать различные ответвления специаль-
ностей. При электротехническом отделении были созданы подотде-
лы общей и промышленной электротехники, телеграфов, телефонов
и электрохимии.
В 1898 г. в Московском высшем техническом училище профессор Угримов
приступил к чтению лекций по электротехнике и тогда же началось оборудова-
ние специальных электротехнических лабораторий. Раздел электричества в курсе
физики, который читал профессор Щегляев, был значительно расширен в 1905 г.
и стал представлять собой введение в электротехнику. Вскоре за этим началось
преподавание специальных электротехнических дисциплин. Появилась группа пре-
подавателей, которые под руководством К. А. Круга возглавили московскую шко-
лу электротехников. Таким образом, 1905 г. считается годом основания Москов-
ской электротехнической школы и зарождения Московского энергетического ин-
ститута, семидесятилетие которого отмечалось в 1975 г.
Исключительно важное значение для постановки электротехнического обра-
зования в России имели два высших учебных заведения: Петербургский политех-
нический институт и Московское высшее техническое училище, или, как оно
теперь называется, МВТУ им. Баумана. В этих вузах создались две школы элек-
тротехников, сохранившиеся и до наших дней.
Учитывая большую роль, которую играли Московская электротехническая
школа и Московский энергетический институт в подготовке специалистов-энерге-
тиков, остановимся несколько подробнее на этом институте и истории его обра-
зования.
Семьдесят два года назад, в декабре 1905 г., в Московском высшем техни-
ческом училище появилась электротехническая специализация, на базе которой
был создан Московский энергетический институт.
В наши дни трудно найти такую электростанцию или энергетическое предпри-
ятие Советского Союза, где бы не трудились воспитанники института. Более
60 тыс. специалистов дал стране институт за годы своего существования. Огром-
ный опыт учебной, методической и научной деятельности, накопленный препода-
вателями и научными сотрудниками МЭИ, оказал немалое влияние на развитие
энергетического образования в СССР, на расширение и углубление научных иссле-
дований в области энергетики и электротехники.
Заслуживает внимания тот факт, что по личному указанию В. И. Ленина
электротехническому факультету в 1922 г. было предоставлено здание (ул. Каза-
кова, 29), в котором разместились специальные лаборатории и учебные аудито-
рии, и были выделены большие средства для приобретения ценного оборудования
и организации новых лабораторий, созданы условия для развития и совершенст-
вования учебного процесса.
С каждым годом рос и укреплялся профессорско-преподавательский коллек-
тив факультета, возглавлявшийся одним из основоположников Московской элек-
тротехнической школы проф. К. А. Кругом и такими видными инженерами и уче-
ными, как К. И. Шепфер — один из крупнейших специалистов в области электро-
машиностроения, впоследствии академик; В. С. Кулебакин — также впоследствии
академик, возглавлявший электроаппаратостроительную специализацию;
Л. И. Сиротииский (техника высоких напряжений), М. К. Поливанов, Н. И. Суш-
кин, А. А. Глазунов и А. Я. Рябков (электрические станции и сети) и многие
другие.
28
Большую роль в улучшении работы МЭИ, как и всей высшей школы, сыграло
постановление ЦИК СССР в сентябре 1932 г., в соответствии с которым была вве-
дена более четкая организационная структура вузов, повышена роль и ответст-
венность преподавателей в учебном процессе. В МЭИ в это время было образо-
вано шесть факультетов (электроэнергетический, электромашине- и аппарато-
строения, электрического транспорта, теплотехнический, инженерно-экономический
и электросвязи), готовивших специалистов широкого профиля.
Развитие автоматизации и механизации производства вызвало необходимость
создания новых факультетов: в 1933 — физико-энергетического, на основе кото-
рого позднее возник электрофизический факультет, преобразованный в 1947 г.
в факультет электровакуумной техники и специального приборостроения;
в 1938 г. — радиотехнического.
В 1935 г. в МЭИ открылось вечернее отделение.
В декабре 1940 г. в связи с 35-летием института за заслуги в подготовке вы-
сококвалифицированных инженерно-технических и научных кадров МЭИ был
награжден орденом Ленина. К этому времени коллектив института добился за-
метных успехов в учебной, научной и методической деятельности.
В годы отечественной войны сотни студентов и сотрудников института сра-
жались на фронтах, а те, кто учился и работал, помогали фронту трудовыми де-
лами. В МЭИ в это время создавались новые факультеты — энергомашинострои-
тельный (1943 г.), гидроэнергетический (1945 г.) и электрификации промышлен-
ности и транспорта (1945 г.). Организовалось 11 кафедр и новых лабораторий.
В три раза по сравнению с 1940 г. возрос объем научных исследований, большая
часть которых была связана с оборонной тематикой. За годы войны было выпу-
щено более 1300 инженеров.
- В послевоенные годы в институте создаются и развиваются новые специаль-
ности, связанные с радиоэлектроникой, автоматикой и телемеханикой, энергома-
шиностроением.
Основное внимание коллектива было сосредоточено на усилении самостоя-
тельной работы студентов, воспитании у студентов творческого подхода к реше-
нию научно-технических вопросов. В результате пятилетнего систематического
изучения бюджета времени студентов, тщательного анализа содержания и тру-
доемкости различных заданий, выдаваемых кафедрами, исключения из программ
курсов второстепенного материала, более четкой организации всех звеньев учеб-
ного процесса было сокращено число обязательных занятий по расписанию и вы-
делены дни самостоятельной работы студентов.
Большое внимание было уделено организации научной работы студентов,
с тем чтобы эта работа стала обязательным элементом учебного процесса. Вве-
дение учебно-исследовательских работ (УИР) повысило интерес студентов к ре-
шению конкретных научно-технических вопросов, способствовало развитию твор-
ческой инициативы и навыков экспериментирования.
Немалые успехи наметились и в развитии научно-исследовательской деятель-
ности коллектива института. Над решением многих важных научно-технических
проблем коллективы кафедр института работали в содружестве с промышленны-
ми предприятиями и научно-исследовательскими институтами.
Развитие физико-математических наук потребовало введения в инженерные
дисциплины специальных разделов математики и физики. В институте была соз-
дана новая кафедра специальных курсов высшей математики.
Одной из форм связи высшей школы с производством стала длительная
производственная практика студентов на старших курсах.
В последние годы учебная деятельность института характеризуется развитием
прогрессивных форм обучения — внедрением программированного обучения, как
машинного, так и безмашинного. В институте созданы четыре кабинета автомати-
ческого контроля текущей успеваемости студентов. Большое внимание уделяется
подготовке программированных учебных пособий, разрабатываются методы кино-
фикации лекций и применения телевидения в учебном процессе.
Среди выпускников МЭИ большое число студентов-иностранцев. За последние
годы институт окончило более 1200 иностранцев, сотни аспирантов-иностранцев
защитили кандидатские диссертации. В 1975 г. в МЭИ обучалось более 1000 сту-
дентов, аспирантов и стажеров из 50 стран Европы, Азии, Африки и Америки.
Значительно возросли и окрепли международные связи института.
29
Научно-исследовательская деятельность ученых, работающих в МЭИ, Харак-
теризуется не только количественными показателями, но и качественными. Так,
все большее значение приобретают научные исследования комплексного, проблем-
ного характера, имеющие важное народнохозяйственное значение. Это нашло свое
отражение, в частности, в организации проблемных лабораторий. Первые проб-
лемные лаборатории были созданы в 1957 г.
§ В.5. Работа студента в высшем учебном заведении*
Государство в нашей стране предоставляет большие возможно-
сти всем гражданам для получения высшего и среднего специаль-
ного образования. И эти возможности нужно правильно использо-
вать учащимся, что, к сожалению, происходит не всегда. Дело
в том, что учиться надо уметь. По этому поводу имеется
много высказываний и публикаций. Не имея возможности привести
их, остановимся здесь только на некоторых основных вопросах обу-
чения в вузах.
Процесс обучения имеет три составляющие: понимание;
знание; умение.
Каждая из этих составляющих требует своего подхода, и все эти
составляющие необходимы для самостоятельной деятельности
специалиста. Можно, например, понимать явление, однако, не обла-
дая соответствующими навыками, не уметь спроектировать, сде-
лать ту или иную установку. Понимание, в свою очередь, предпола-
гает самостоятельность при подходе к решению задач, возникаю-
щих во время обучения в высшей школе. Основным при выработке
самостоятельности является организация работы студентов, вклю-
чая и работу во время слушания лекций. Иногда справедливо гово-
рят, что высшее образование — это умелая ориентация учащейся
молодежи плюс ее самостоятельная работа.
Отдельные слагающие учебного процесса, такие, как лекции,
упражнения, лабораторные работы и т. д., закрепляются и превра-
щаются в е д и н у ю систему знаний только самостоятельной
работой студентов. Лекции, кажущиеся на первый взгляд пассив-
ной формой учебного процесса, в действительности должны быть
активными. Для студента они не должны сводиться к переписыва-
нию в тетрадку слов лектора и выписываемых им на доске формул.
Лекции — это творческое, активное восприятие слушателями ма-
териала, тут же, на лекции, осмысливаемого.
В связи с этим уместно вспомнить слова В. И. Ленина из лекции
о государстве: «И самое главное, чтобы в результате ваших чтений,
бесед и лекций, которые вы услышите о государстве, вы вынесли
уменье подходить к этому вопросу самостоятельно, так как этот
вопрос будет вам встречаться по самым разнообразным поводам,
по каждому мелкому вопросу, в самых неожиданных сочетаниях,
* .Подробно см.: «Учиться надо уметь». МЭИ, 1962; статью В. А. Веникова и
В. А. Фабриканта «Как слушать лекции» и другие статьи, материал которых ис-
пользуется далее.
30
в беседах и спорах с противниками. Только тогда, если вы научи-
тесь самостоятельно разбираться по этому вопросу, — только тогда
вы можете считать себя достаточно твердыми в своих убеждениях
и достаточно успешно отстаивать их перед кем угодно и когда
угодно» *. Таким образом, В. И. Ленин видел самое главное не
в тех положениях, которые он читал слушателям и которые могли
бы быть восприняты как абсолютная истина, а в том, чтобы слуша-
тели, творчески восприняв эти положения, смогли впоследствии
в новых условиях самостоятельно их применять.
Для слушателя наиболее важно научиться выделять в лекции
изложение логики основного содержания, канву математического
доказательства, не запутавшись при этом в деталях. Манерой изло-
жения, интонацией голоса лектор подчеркивает главные, принци-
пиальные положения лекции, на которые нужно студентам обра-
тить внимание.
Важность работы с книгой очевидна. Но очевидно и то, что кни-
га остается равнодушной к переживаниям учащихся, а лектор реа-
гирует на то, как воспринимает материал аудитория. Если нужно
повторить отдельные части, положения или замедлить темп чтения
лекции, то лектор всегда может делать это для лучшего усвоения
материала учащимися. Слушая лекцию, не нужно распылять вни-
мание на мелочи, если они даже и непонятны, их следует отмечать
на полях конспектов, позднее выясняя у лектора или его асси-
стента.
На лекции излагается не только конкретное содержание пред-
мета, например доказательства теоремы, но и происходит демонст-
рация лектором того, как наука вообще подходит к доказательству
своих положений, как в технике решаются такого рода задачи.
На лекции в концентрированном виде дается историческое раз-
питие техники, излагается научный метод, обобщается опыт мно-
гих лет. Поэтому следует обращать внимание на широту постанов-
ки задачи и стремиться получить представление о затронутой тех-
нической и научной проблеме в целом.
Нельзя не повторить, хотя это звучит и тривиально, что студен-
ту в институте нужно прежде всего научиться учиться, получить
прочный запас знаний. А получить этот запас знаний студенту не
просто. Здесь имеется ряд трудностей. Во-первых, те конкретные
П1.111ИЯ, которые даются в институте, могут со временем устареть и
выпускник в своей практической работе столкнется с совершенно
иной техникой. Поэтому за годы учебы важно усвоить основные
принципы развития, получить фундаментальные знания,
овладеть методологией исследований, чтобы впоследствии можно
было быстро, «на ходу» подключиться к развитию техники.
Во-вторых, прочные знания нельзя получить заучиванием. Проч-
ные знания предполагают глубокое понимание изучаемого
мл и'риала. И эту способность глубоко проникать в суть рассматри-
н. лых вопросов нужно развивать, стремиться быстро схватывать
* Ленин В. И. Поли. собр. соч., т. 39, с. 65.
новые идеи и использовать их при решении своих практических за-
дач и, главное, нужно воспитывать в себе интеллигентность, под-
вижность и остроту ума. Ту самую широкую, настоящую интелли-
гентность, о которой неоднократно говорил в своих выступлениях
Л. И. Брежнев. При такой постановке задачи обучение не исчер-
пывается только знаниями. Знание — это необходимое, но еще
не достаточное условие, чтобы быть хорошим инженером.
Известный немецкий физик Лауэ говорил, что образование —
это то, что остается, когда все выученное забывается. Это изрече-
ние несколько рискованное, если попытаться дословно его приме-
нять при подготовке к экзаменам, и его, конечно, нельзя понимать
буквально, но к мудрому зерну, заключенному в нем, полезно от-
нестись серьезно. Здесь верно подмечено, что самое важное — раз-
вивать свой ум, учиться мыслить критически, творчески и активно.
Эти качества рождаются в процессе обучения.
Если не подходить к изучаемым предметам с широких позиций,
заниматься зазубриванием конкретного материала, то настоящего
инженера в полном смысле этого слова из такого студента не полу-
чится — из стен института выйдет монтер с дипломом инженера.
Лекция относится к одному из наиболее ответственных видов
учебного процесса. Именно лекция должна продемонстрировать
логику рассуждений, дать сжатый обзор научной мысли за десяти-
летия и столетия, ввести слушателя в храм современной науки, а
не только в ремесленную мастерскую техники.
Между тем во многих, а может быть и в большинстве, случаев
на лекциях именно те важные мысли, которые излагаются лектором,
те основные физические соображения, те предположения и канва,
вокруг которой строится ход доказательства, те условия, которые
кладутся в основу доказательства, самостоятельная убежденность
и истинное усвоение постановки вопроса, о которых так хорошо
говорил В. И. Ленин в упоминавшейся выше лекции, меньше всего
привлекают внимание аудитории. Зачастую принципиальные мыс-
ли и положения лектора просто не отражаются в студенческом
конспекте, и напротив: в любом конспекте наверняка достаточно
тщательно оказываются записанными все математические преобра-
зования, хотя бы самые элементарные, которые можно было бы
принять «на веру», предполагая, что в свое время они были пра-
вильно сделаны, и которые легко найти в учебнике. Очень плохо,
когда нет мыслей в конспекте, но много такого рода записей. Даже
в математике, где различные выводы — выкладки — обычно зани-
мают много места, все же они играют только вспомогательную
роль; ими надо владеть, но они должны рассматриваться в качестве
вспомогательных операций; иными словами, их не надо выделять
на первый план.
Часто слушание лекций, работа на лекции сводятся только к то-
му, чтобы проследить и переписать в конспект математические вы-
кладки лектора и окончательную формулу. Это неправильно, и
здесь слушатель должен заставить себя обращать внимание на ка-
чественную сторону дела.
32
Инженер с математическими выкладками имеет дело всю
жизнь, но математику надо правильно оценивать как мощный вспо-
могательный аппарат, как острое оружие, которым можно ранить и
себя, если неумело им пользоваться.
Часто очень серьезный вывод можно получить и без сложных
математических выкладок, но бывает и наоборот: громоздкие мате-
матические вычисления являются только видимостью, никакого
серьезного подтверждения важного технического решения не дают.
У инженера, который ни в высшей школе, будучи студентом,
ни в своей последующей деятельности не получил достаточной и н-
теллигентности ума, обычно появляется своеобразная фе-
тишизация математических формул и математических методов без
оценки заложенных в них ограничений, без учета условий их полу-
чения и, следовательно, условий их практического использования.
Таким инженерам кажется, что длинная формула, в которой очень
много интегралов, всегда весьма «научна», и «строга», и «полезна».
Когда же начинают применять такую формулу, то нередко оказы-
вается, что она для данных условий ошибочна или не представляет
практической ценности, так как математика вообще, а инже-
нерная математика особенно, нуждается в правильной
постановке з а д а ч и, т. е. в первую очередь в соответст-
вии поставленной цели принятым допущениям—
аппарату математики.
В математических выкладках и формулах надо стремиться раз-
глядеть физический и логический смысл. Именно поэтому студенту
нужно прежде всего понять важность концентрации основного вни-
мания на ходе рассуждений лектора, на тех идеях, положениях и
допущениях, которые показывают подход к решению проблемы.
Нужно обратить особое внимание на критический подход к идеям
и фактам, высказываемым лектором.
Как же нужно слушать лекции? Часто внимание слушателя
сосредоточивается только на механической записи того, что появ-
ляется на доске, поэтому за ходом рассуждения, за его логикой он
следить уже не может, хотя именно это должно быть наиболее су-
щественным. Основным на лекции должно быть понимание мыслей
и идей лекции, а не только фактов и формул. Как говорил
И. П. Павлов, если в голове нет идеи, то не видишь и фактов.
Слушателю надо уметь отдыхать во время лекции, но при этом
и не упускать основных мыслей, высказываемых лектором, фикси-
руя прежде всего именно их. Главное внимание должно быть сосре-
доточено вокруг основных идей рассматриваемого вопроса, вокруг
того стержня идей, которые преподносятся на лекции и составляют
ее главную ценность.
При слушании музыкального произведения важно уловить ос-
новную мелодию. Точно так же важно уловить манеру изложения
того или иного лектора. Например, есть лекторы, которые, излагая
какой-либо новый вопрос, сначала, как правило, описывают и пока-
зывают соответствующие работы, перечисляют факты, после чего
начинают теоретическое обсуждение этих фактов, а в конце форму-
2 , Зак. 1540 33
лируют выводы. Другие же, наоборот, сначала излагают теоретиче-
ское положение, а потом его иллюстрируют соответствующими
данными и фактами. Оба эти пути правомерны.
Уточним теперь, что все-таки и как следует записывать на лек-
ции. Записывать, конечно, приходится по-разному. Естественно,
что у каждого есть или должна быть своя отработанная форма за-
писи. Но есть и некоторые общие положения. Так, абсолютно недо-
пустимо делать записи на клочках бумаги или в разных тетрадях.
Записывать лекции всегда нужно в одной тетради, на одной сторо-
не листа, оставляя поля, с тем чтобы потом можно было сделать
замечания, записать что-то дополнительно, сделать выписки из
книг. Недопустимо вести записи мелким неразборчивым почерком
так, что и сам автор записей не разберет их.
Для записей лекций нужно отработать почерк, пользоваться ус-
ловными обозначениями (значки «больше», «меньше», сокраще-
ния — э. д. с., м. д. с. и т. д.). Слушая лекцию, надо тут же готовить
вопросы и посылать лектору записки для уяснения непонятных
мест. Самое же главное •— преодолеть «ленивую доверчивость
ума», или, можно сказать, своего рода «барство ума», готового без-
думно следить за лектором и переписывать его выкладки. Преодо-
лев это, важно следить за лектором, ходом его мысли и установить
прочный духовный контакт с ним.
Помня, .что лекция — это совместная работа лек-
тора и с л у ш а т е л я, можно, не стесняясь, попросить, напри-
мер, читать медленнее, или, напротив, быстрее. Фарадей, будучи
замечательным лектором, не стеснялся не только обращаться с
просьбой такого рода к слушателям, но и даже прибегать к помощи
ассистента, который следил за темпом лекции и, если было нужно,
клал ему на кафедру плакат с надписью «быстро» или, наоборот,
«медленно».
Контакт с аудиторией, к сожалению, часто бывает недостаточ-
ным. Бывает так, что хороший контакт с аудиторией, обычно воз-
никающий на первых лекциях, затем через четыре-пять лекций те-
ряется. Возникает такое положение, при котором аудитория слу-
шает и записывает, но уже видно, что большая ее часть перестала
следить за ходом мыслей лектора.
Причин здесь много, и первая причина, основная, состоит в том,
что по всякому мало-мальски сложному курсу следить за лекцией
только «с голоса» и быть в курсе мыслей лектора очень сложно.
Здесь требуется дополнительная работа, без которой нельзя до-
стигнуть цели лекции у большинства слушателей, так как механиче-
скую запись содержания нельзя считать целью. Отрыв лектора от
аудитории связан прежде всего с тем, что после лекции студенты,
как правило, не заглядывают в свои записи до тех пор, пока не по-
дойдет сессия. Дело, конечно, тут не только в том, что студентам не-
когда готовиться к занятиям так, чтобы следующая лекция была
действительно интересной. Студент, к сожалению, часто не чувст-
вует потребности и необходимости в подготовке к очередной лек-
ции, не понимает, что только слушать и записывать с голоса —
34
значит быстро терять и понимание сути и вместе с тем интерес
к лекции.
Вот как-то пришлось читать лекции преподавателям — аудито-
рия, казалось бы, была «на высшем уровне»: она состояла из про-
фессоров, доцентов, научных работников. Однако в ней тоже при-
мерно через четыре-пять лекций слушатели (в большинстве своем)
оторвались от лектора точно так же, как это бывает со студентами...
Почему? Потому что они также не просматривали того материала,
который для большинства был новым, и потеряли возможность
следить за лектором. Здесь не случайно употреблено выражение
«не просматривали». Имеется в виду не проработка лекции, что мо-
жет быть действительно трудно по времени, а беглый просмотр
двухчасовой лекции в течение 20—30 мин. Это позволило бы возоб-
новить в памяти предыдущий материал и заставило бы на лекции
держать свой мозг в мобилизованном состоянии.
Для систематического просмотра лекций нужна определенная
самодисциплина. Если бы в вузе дело было поставлено так,
как в школе, если бы студенты знали, что их всегда могут спросить
и они могут получить «текущую» двойку, то, конечно, нашлись бы
у них эти 20—30 минут. Сейчас, когда студенты бездумно сидят
по 4, а то и по 6 ч на лекциях несколько дней в неделю, это время
без предварительной (пусть небольшой) подготовки просто пропа-
дает, а при подготовке оно могло быть использовано творчески.
Вот почему в настоящем курсе так много уделяется внимания необ-
ходимости активизации лекций.
Многие лекции сопровождаются показом наглядных пособий —•
плакатов, моделей, слайдов, кинофильмов, а также демонстрацион-
ных экспериментов. Все это надо уметь смотреть и фиксиро-
вать в своих записях. С плакатами дело обстоит проще, ибо в них
обычно отобрано только наиболее существенное и имеющее непос-
редственное отношение к содержанию лекции. В этом случае надо
только научиться делать соответствующие эскизы у себя в тетра-
дях. С демонстрационными опытами, проводимыми с показом
слайдов и кинофильмов, дело обстоит сложнее. Здесь надо
уметь видеть наиболее важное. Иначе детали заслонят
существо дела.
В итальянском народном театре на сцене есть персонажи, пере-
ставляющие декорации и подающие отдельные предметы актерам,
которые исполняют основные роли. Эти персонажи не принято за-
мечать. Они как бы не существуют. Аналогично этому надо отно-
ситься к несущественным деталям демонстраций. Кроме того, во
время показа эксперимента надо внимательно следить за поясне-
ниями лектора.
Кроме лекционных занятий в высших учебных заведениях зна-
чительное время, и даже большее, занимают другие виды занятий,
такие, как упражнения, лабораторные работы, курсовые проекты
II Т. д.
Упражнения предназначены разъяснять на конкретных при-
мерах, расчетах те общие положения, которые давались на лекци-
35
ях. Роль упражнений велика, на нйх, говоря образно, как бы ожи-
вают теоретические положения. Поэтому относиться к ним нужно
очень серьезно. К упражнениям, так же как и к лекциям, следует
заранее готовиться. На упражнениях желательно восстановить в
памяти соответствующий лекционный материал и постараться увя-
зать рассматриваемые конкретные задачи с теми общими пробле-
мами, которые излагались на лекциях.
Не менее значительна роль лабораторных работ. Они
так же, как и упражнения, иллюстрируют, закрепляют и уточняют
общие положения лекционного материала. Физические процессы и
закономерности изучаются при выполнении лабораторных работ на
конкретных физических объектах. При этом у учащихся вырабаты-
ваются навыки практической работы со схемами, приборами, уста-
новками, появляется некоторый опыт экспериментальных исследо-
ваний. Если к лабораторным работам не подготовить нужный тео-
ретический материал, то время на их проведение будет практически
потрачено напрасно.
Изучение студентом учебного материала заканчивается заче-
том или экзаменом, которые должны играть важную роль
в подготовке будущих специалистов. Экзамены увязываются
с основной задачей высшей школы — с развитием творче-
ских и умственных способностей, с умением воспринимать ма-
териал.
Может показаться, что обучение в вузе сводится к накоплению
тех и только тех знаний, которые имеют отношение к будущей спе-
циальности. Но это не так. Инженеру в практической работе потре-
буется незначительная часть тех знаний, которые он получил в те-
чение пяти лет обучения в институте. Самая главная цель обучения
заключается в том, чтобы после института инженер был способен
воспринимать и создавать новое, умел творчески мыслить, ставить
научные и технические задачи и решать их.
Проведение экзаменационной и зачетной сессий, как и других
составляющих учебного процесса, призвано способствовать основ-
ной цели обучения в вузе. Форма проведения экзамена, обилие во-
просов, предлагаемых студентам в экзаменационных билетах, мо-
гут наводить на мысли, что все это не нужно с точки зрения буду-
щей практической работы. Это неверно, так как экзамены — это
своего рода тренировка, которая необходима будущему специали-
сту точно так же, как необходима спортсмену разносторонняя тре-
нировка в физических упражнениях, не связанных с конкретным
видом спорта, для достижения физической силы и ловкости, без
которых невозможно добиться серьезных успехов, рекордов в лю-
бом виде спорта.
Для того чтобы экзамен не казался неким «страшным» актом,
чтобы не было разговоров о перегрузках, необходимо правильно
организовать систематическую работу в течение семестра. Студент
страдает не от перегрузки, а от неравномерной нагрузки в течение
семестра. Подавляющее большинство студентов более 2/з семестра
работает в половину силы, и поэтому конец семестра у них оказы-
36
чается перегруженным. Именно в это время обычно и поднимается
вопрос о перегрузке, о чрезмерном объеме заданий и т. д.
В совершенствовании планирования текущей работы студентов
есть и другая сторона дела. Институт призван готовить специали-
стов, умеющих работать, — организаторов промышленного произ-
водства, организаторов науки. И если в институте студенты не
научатся сами систематически работать и планировать свое время,
свою работу, то вряд ли в будущем они станут хорошими руководи-
телями производства.
Преувеличение трудностей экзамена часто вызвано тем, что
студенты в течение семестра мало уделяют внимания усвоению тео-
ретической части курса. Их занятия ограничиваются механическим
записыванием лекций с расчетом выучить (или вызубрить) мате-
риал в те несколько дней, которые отводятся на подготовку к экза-
мену. Это грубая ошибка, так как за такое непродолжительное
время можно повторить некоторые выводы, доказательства, но
нельзя сделать самого главного — нельзя понять дух нау-
к и, ее специфику и внутреннюю логику, без которых знания будут
поверхностными. Предмет науки усвоить «с налету» нельзя, для
этого нужен достаточно длительный контакт с ней, разнообразное
постепенное проникновение в ее глубину. Углубление в науку про-
исходит, в сущности, незаметно для самого студента в процессе
всего обучения. Во время подготовки к экзаменам, если не было
систематической работы в течение семестра, студенту уже не до
«духа науки». В течение всего семестра необходимо систематически
просматривать конспект лекций, восстанавливать плохо записан-
ные места, обращать основное внимание на взаимосвязи отдельных
частей курса. Отдельные особенно важные формулы, определения
(лектор обычно подчеркивает, какие именно) нужно помнить наи-
зусть. Это не должно быть зазубриванием, а пониманием и запо-
минанием.
Можно сказать, что на экзамене бывают случайные моменты, не
имеющие прямого отношения к знаниям. Это в какой-то мере так.
Действительно, воля, выдержка, целеустремленность, умение быст-
ро реагировать на вопрос, сообразительность — все эти качества
важны на экзамене. Именно поэтому два студента, одинаково
знающие предмет, могут выглядеть на экзамене по-разному, но
воля, выдержка, сообразительность и хорошая память — это как
раз те качества, которые нужны хорошему специалисту и не слу-
чайно являются определенной составляющей экзамена. Следова-
тельно, помимо своего прямого учебного назначения экзамен имеет
еще и .большое воспитательное значение. Так, на экзамене полно-
стью выявляются способность одних людей соображать более быст-
ро и замедленная реакция других. Там, где для подготовки ответа
обычно нужно несколько минут, медленно соображающему студен-
ту может потребоваться целый час. На первый взгляд создается
впечатление, что студент не знает материала. Но в конечном счете
он находит правильный ответ. В подавляющем большинстве случа-
ев можно заметить, что его медлительность в ответах вызвана глав-
37
ным образом неумением студента достаточно быстро отыскать
в своей памяти нужные сведения и связать их между собой в форме
требуемого ответа. Подобно электронной математической машине,
мозг студента перебирает все вероятные ответы, в том числе и ма-
лоправдоподобные, и лишь после большой затраты времени и сил
выдает правильный ответ. Можно ли в достаточной мере удовле-
твориться таким ответом студента? Разумеется, нет. Став инжене-
ром, такой человек не обнаружит высокой производительности тру-
да и его отдача будет меньше, чем у других специалистов. Можно
ли считать безнадежным отсутствие способностей к умственному
труду и быстроты реакции на вопрос? Оказывается, эти качества
поддаются развитию и совершенствованию примерно в такой же
мере, как и физические способности. Умение сосредоточиться, со-
брать умственные силы для решения поставленной задачи, быстро
дать правильное решение может быть очень сильно развито путем
тренировки. В этом деле зачеты и особенно экзамены играют боль-
шую роль, но не ради самого экзамена как такового нужна трени-
ровка. Ведь уметь найти правильное и быстрое решение поставлен-
ной задачи требуется не только на экзаменах, но и в куда более
ответственных ситуациях, которые, безусловно, в той или иной фор-
ме встретятся в жизни.
Некоторые студенты говорят: «экзамены — это лотерея». Но это
не так, даже в том случае, когда экзамены принимает машина-
экзаменатор. И тем более не так, когда со студентом беседует
преподаватель. Разделы всегда связаны между собой, хотя связи
эти часто и незаметны для студента. Поэтому экзаменатор непо-
средственно из ответа студента или анализа результатов опроса,
проведенного машиной по одному разделу, уже получает опреде-
ленное представление о том, как экзаменующийся знает другие
разделы. И иногда достаточно одного дополнительного вопроса,
чтобы картина стала ясна.
Молодежи свойственно переоценивать себя, и это, в общем, не-
плохая черта. Но при подготовке к экзамену нельзя переоценивать
свои силы. В первом приближении лучше оценить свои знания на
балл ниже, чем это кажется. Если студент желает получить удовле-
творительную оценку, следует готовиться на хорошую оценку. Надо
сказать, что на переоценку знаний влияют иногда и окружающие
товарищи. Студенты еще не очень хорошо разбираются в людях и
часто принимают внешнюю бойкость за ум и способности. А за сто-
лом экзаменатора такая бойкость не всегда помогает. Выходит
такой студент после экзамена за дверь и говорит: «Я ему все хоро-
шо ответил, а он придрался к пустяку и поставил тройку». Если
студенты не поверят такому товарищу и выскажут свои сомнения,
то принесут ему только пользу.
Много нежелательных отметок появляется из-за формального
заучивания теории. Печально, что затрачено так много труда, все
заучено, а понимания нет.
Довольно распространенная причина плохой сдачи экзамена
в том, что студент «не доучил»! Ему не хватило одного дня или
38
одного часа. Некоторые студенты почти сознательно не доучивают
материал одной-двух последних лекций, надеясь, что этот материал
«не достанется». Но это грубая ошибка. Каждый экзаменатор зна-
ет, что студенты хуже всего разбираются именно в материале по-
следних лекций. Поэтому он почти всегда задает дополнительный
вопрос по этому материалу. Распределяя материал по дням на под-
готовку, нужно учесть, что одни разделы легче, другие — труднее;
одни важные, другие носят второстепенный характер; одни извест-
ны лучше, другие — хуже. И последним лекциям также должно
быть уделено внимание.
Есть еще одна причина, влияющая на исход экзаменов, — это
временное (даже небольшое) заболевание или бытовые неурядицы.
Во время подготовки к экзамену нервная система сильно напряже-
на, и поэтому, скажем, легкий насморк может отразиться на ре-
зультатах экзамена.
У каждого экзаменатора имеются в памяти случаи, когда он
был вынужден снизить отметку студенту, явно отвечающему ниже
своих возможностей по причине временного заболевания. В таких
случаях студенту, может быть, следует брать у врача справку
и просить деканат перенести экзамен.
Во время сессии нужно особенно тщательно следить за своим
здоровьем, сном, личной гигиеной и бытом. Многие занимаются
в условиях, где много отвлекающих моментов и не всегда соз-
дается рабочая обстановка. Конечно, это вопрос вкуса и привычки,
но куда лучше заниматься в хорошо проветриваемых читальных
залах, где сама обстановка располагает к сосредоточенной умст-
венной работе.
Очень важно разумно распределить количество дней, отводимых
на подготовку к экзаменам. По этому вопросу следует заблаговре-
менно посоветоваться с преподавателями.
О режиме во время экзаменов каждый студент имеет представ-
ление из средней школы. Вечером после сдачи экзамена можно
посетить кинотеатр, театр, сходить на концерт, каток и т. д. В дру-
гие дни лучше избегать «сильно действующих» развлечений. Надо
усидчиво и целеустремленно заниматься каждый день с утра до
6—7 ч вечера, после чего лучше всего устраивать полутора- или
двухчасовую прогулку на свежем воздухе. Даже если студент уве-
рен в знании данного предмета и может позволить себе активный и
продолжительный отдых, не стоит этого делать, чтобы не демоби-
лизовать себя и не нарушить жесткий режим экзаменационной сес-
сии. Появившиеся свободные дни лучше посвятить тем предметам,
в знании которых нет полной уверенности.
Никоим образом нельзя заниматься ночью накануне экзамена.
У некоторых студентов накануне экзамена появляется паническое
настроение: им кажется, что они ничего не помнят, что в голове
у них все «перемешалось» и т. п. Как правило, для такой паники
пет оснований, поэтому не нужно поддаваться подобным настрое-
ниям. Иное дело, если студент вообще «не дочитал» последних раз-
39
делов. Но такой ситуации легко избежать, если разумно спланиро-
вать подготовку к экзаменам.
При подготовке важно правильно пользоваться пред-
экзаменационными консультациями. К консультации
весь материал должен быть подготовлен. Лектор не должен и не
будет на консультации повторять те или иные места курса. Он
будет отвечать только на конкретные вопросы, и эти вопросы надо
подготовить. При изучении материала по конспекту или учебному
пособию следует выписывать вопросы в связном виде на отдельном
листе. В начале консультации эти вопросы надо передать препода-
вателю, он их систематизирует, некоторые из них объединит, после
чего ответит на них. Если консультация не подготовлена, она прой-
дет вяло и может оказаться впустую потраченным временем.
Некоторые студенты делают ошибку, не приходя на консульта-
ции, полагая, что у них нет вопросов к лекторам. Но на консульта-
ции лектор не только отвечает на вопросы, но часто и по собствен-
ной инициативе дает разъяснения по наиболее трудным разделам
курса. Кроме того, он выделит те вопросы, на которые (по опыту
предыдущих экзаменов) студенты отвечали неудовлетворительно.
Наконец, в работе преподавателя, как и во всяком другом деле,
могут быть погрешности и недочеты. На предэкзаменационных кон-
сультациях лектор имеет возможность выправить эти недостатки.
А студент, пропустивший консультацию, окажется по сравнению
с остальными в менее выгодном положении.
На экзамен нужно являться, строго придерживаясь сроков,
установленных деканатом. Студент, явившийся на экзамен слиш-
ком поздно, проигрывает хотя бы из-за того, что для него нередко
сокращается время на подготовку к экзамену. Кроме того, оттяги-
вание экзамена неблагоприятно действует на нервную систему са-
мого студента.
Получив билет или вопросы, высвеченные на экране машины-
экзаменатора, нужно прежде всего вдуматься в их содержание.
Многие неприятности происходят из-за того, что студент неправиль-
но понял содержание билета или задачи, истолковав поставленный
перед ним вопрос слишком широко (или слишком узко) и т. п.
Если при изучении билета появились сомнения, следует не стесня-
ясь обратиться к преподавателю с вопросом. В конце концов и усло-
вия задачи могут оказаться неполными или неконкретными (такие
случаи редки, по все же встречаются). Необходимо вовремя в этих
вопросах разобраться.
Перед подготовкой материала следует тщательно спланировать
время, чтобы в нужный момент быть готовым к ответу. При реше-
нии задачи необходимо тщательно проверять каждый свой шаг,
а конечные результаты проанализировать с точки зрения размерно-
стей и качественного характера (если результат получается в виде
формулы), а также с точки зрения здравого смысла (если резуль-
тат получается в цифрах).
Готовясь к ответу по теоретической части, необходимо на экза-
менационных листах делать четкие чертежи и графики и выписы-
40
пять все нужные формулы и выводы. В то же время следует избе-
гать выписывания полных формулировок и текстового материала.
Совсем плохое впечатление производят листы, на которых студенты
и хаотическом беспорядке выписывают все известные им форму-
лы— и относящиеся, и не относящиеся к делу. Надо иметь в виду,
что экзаменационные листы говорят о подготовке студента не
меньше, чем его устный ответ. Если при подготовке ответа оста-
нется время, то следует продумать смежные вопросы, а также
проанализировать возможные изменения постановки задачи. Об
этом приходится говорить, поскольку многие экзаменаторы имеют
особенность спрашивать студентов, несколько отклоняясь от той
постановки, которая дана в билете.
Ранее было сказано, что для студента очень важно правильно
понять объем сведений, требуемый от него по данному билету. Ча-
сто бывает так, что ответ на поставленный вопрос требует исполь-
зования материала, непосредственно к билету не относящегося.
Например, необходимо вывести формулу, для чего нужно знать дру-
гую формулу, относящуюся к предшествующему материалу. Есте-
ственно, возникает вопрос: а нужно ли выводить эту другую фор-
мулу? Если ее не нужно выводить, то следует ли знать ее на па-
мять? В этих вопросах студент должен разобраться сам. Как
правило, чем лучше подготовлен студент, тем легче разобраться
ему. Но в сомнительных случаях лучше обращаться к экзамена-
тору.
Остается деликатный вопрос о взаимоотношениях преподава-
теля и студента на экзамене. Прежде всего нужно подчеркнуть, что
экзаменатор, как правило, в высшей степени доброжелательно от-
носится к каждому студенту. Целый семестр преподаватель читал
курс, затрачивая много сил, стремился научить студентов «своему»
предмету. Что может быть приятнее для него, чем услышать хоро-
ший ответ и поставить за него хорошую отметку. Ставя двойку,
экзаменатор доставляет неприятность другому человеку, лишает
его, может быть, стипендии и в некоторых случаях даже подводит
к исключению из института. Чтобы поставить двойку, нужно опре-
деленное нервное напряжение. Недаром встречаются преподавате-
ли, которые по своей нерешительности неспособны поставить
неудовлетворительную оценку. Думается, что уважающий себя сту-
дент едва ли получит большое удовлетворение, экзаменуясь у та-
кого преподавателя.
Итак, преподаватель, приступая к опросу, относится доброжела-
тельно к каждому студенту, видя в нем заранее добросовестного
н толкового человека. Но у студента есть все же риск потерять
право на эту доброжелательность. В каких случаях это происхо-
дит?
Прежде всего это происходит тогда, когда студент пытается
пользоваться шпаргалками или прибегает к другим недозволенным
источникам информации (перешептыванию, изъяснению знаками
пли переписке с соседом и т. д.). Студент, пытаясь обмануть препо-
давателя, теряет право на доброжелательность с его стороны. Экза-
41
менатору предоставлено право удалять в этом случае студента
с экзамена. Но нередко экзаменатор поступает иначе. Он пригла-
шает студента за стол, откладывает в сторону его листки (какой
смысл принимать их во внимание, если студент списывал?) и начи-
нает спрашивать без подготовки по смежному разделу. Результаты
такого экзамена нетрудно предвидеть.
Еще одна возможность потерять расположение экзаменатора
состоит в следующем. Студент не знает, как ответить на вопрос и
пытается уйти от него в «общие рассуждения», полагаясь на свою
«эрудицию», или пробует перевести разговор в область, более ему
знакомую. Эти приемы не годятся для того, чтобы дезориентиро-
вать экзаменатора, который хорошо понимает психологию студен-
та. Лучше прямо сказать «не помню», «не знаю», чем признаться
в своем незнании в столь неискренней форме, как уход от прямого
ответа на вопрос.
Допустим, что студент все же получил нежелательную оценку.
Очень стыдно бывает за тех студентов, которые выпрашивают бо-
лее высокую оценку: «Я все знаю (или «я все выучил»)... спросите,
пожалуйста, еще». Крайне редко преподаватель соглашается на
эти просьбы и почти никогда не меняет первоначальную оценку.
Ведь «нежелательная» оценка выносится только после очень трез-
вого размышления. Поэтому нельзя не посоветовать студентам —
если уж произошла такая неприятность, то надо вести себя, соблю-
дая чувство собственного достоинства, делая определенные выво-
ды, анализируя допущенные при работе в семестре и подготовке
ошибки.
§ В.6. Краткие сведения о технике безопасности
и использовании библиографии в работе студента
Важное значение для организации деятельности начинающего
студента составляют вопросы, связанные с техникой безопасности
и библиографией. В настоящей книге подробно рассматриваться
они не будут. В курсе по этим вопросам будут читать отдельные
лекции специалисты, которые укажут по ним дополнительную лите-
ратуру; здесь же приводятся только самые элементарные све-
дения.
Техника безопасности. Требует серьезного отношения с первых
шагов деятельности студента в вузе, так как ему приходится иметь
дело с различными лабораторными установками, содержащими
электрические устройства. При неправильном обращении с ними
студент может «попасть под напряжение», если нарушит правила
техники безопасности. Между тем даже небольшие величины на-
пряжений и токов, проходящих через живые организмы, в опреде-
ленных условиях могут вызвать не только опасные, но даже и тра-
гические последствия. Поэтому уже на первом этапе учебного про-
цесса необходимо усвоить основные требования и понятия техники
безопасности.
42
Прежде всего надо обратить внимание на соблюдение правил
техники безопасности при работе с электроустановками, а также
при использовании новых конструкций электроустановок, хотя они
и конструируются так, чтобы по возможности представлять мини-
мальную опасность для жизни людей; обслуживающий их персонал
всегда должен иметь отчетливое представление об опасностях элек-
трического тока.
Существуют противоречивые суждения и данные о величинах
напряжений и токов, представляющих опасность для жизни чело-
века. Известны случаи, когда при электротравмах люди погибали,
подвергаясь воздействию сравнительно небольших величин напря-
жений и токов, и, напротив, выживали при напряжениях в несколь-
ко киловольт и токах в сотни миллиампер.
Отсутствие однозначных представлений о степени опасности
объясняется сложностью явлений, происходящих в организме чело-
века, большим числом влияющих факторов, зависимостью от слож-
нейших биофизических и биохимических процессов, существенным
влиянием нервной системы, а следовательно, и невозможностью
в полной мере использовать данные экспериментов, проводимых
на животных.
Первые исследования действия электрического тока на человека
были проведены еще в конце XVI в. английским врачом Джильбер-
том. В нашей стране изучение поражений электрическим током
и описание проводились с 1880 г. в журнале «Электричество», их
целью было выявление закономерностей действия электрического
тока на человека и разработка защитных мер.
Еще в 20-е годы нашего столетия было доказано положение
о том, что существенную роль во многих случаях электротравма-
тизма играет «фактор внимания», т. е. состояние нервной системы
человека в момент поражения. Трагический, смертельный исход,
по-видимому, наступает вследствие нарушения электропроводности
центральной нервной системы, управляющей основными жизненно
необходимыми функциями человека.
Эмоциональное состояние человека непосредственно влияет на
величину электрического сопротивления его тела, что подтвержда-
ется экспериментами. Так, если измерять, например, с помощью
моста сопротивление тела человека, то оказывается, что при вне-
запных раздражениях, таких, как зажигание лампочки, прикосно-
вение горячим или холодным предметом, сообщение сенсационной
новости, происходит резкое понижение сопротивления. В таком
состоянии, следовательно, электротравмы наиболее опасны.
Сопротивление тела человека зависит также и от величины на-
пряжения. С возрастанием напряжения сопротивление умень-
шается значительно — более чем в 20 раз. При относительно не-
больших напряжениях (12-4-36 В) сопротивление в среднем состав-
ляет величину (84-10)-103 Ом. Количественно оценивая сопротив-
ление тела человека и зная поражающее напряжение, можно опре-
делить условно величины поражающих токов, которые находятся
в пределах миллиампер.
43
о-
При прикосновении человека к частям электроустановок, нахо-
дящимся под напряжением, создается электрическая цепь, кото-
рая состоит из последовательно соединенных эквивалентных сопро-
тивлений и Rnz, включающих сопротивление обуви, одежды,
изолированного инструмента, предмета, через который происходит
прикосновение, и т. д., а также из сопротивлений кожного покрова
Rki и Rk2 человека и сопротивления внутренних тканей /?в *
(рис. В.10). Сопротивление кожи боль-
ше сопротивления внутренних тканей.
Ориентировочные значения эквива-
лентных сопротивлений в цепи прикос-
новения приведены в табл. В.1, из рас-
смотрения которой видно, что исход
воздействия того или иного напряже-
ния на человека зависит от таких фак-
торов, как вид обуви и одежды, со-
стояние пола или площадки, на кото-
рой находится человек, так как эти предметы во многом могут оп-
ределять величину электрического тока, протекающего в цепи.
Rpt
Rnz
Рис. В. 10. Цепь прикосновения
человека к частям электроуста-
новок, находящихся под напря-
жением
Таблица В. 1
Виды сопротивления Величина сопро- тивления, кОм
Изолированный монтерский инструмент 103-105
Одежда сухая 102—103
Пропитанная потом рабочая одежда 1—2
Рабочая одежда с мокрыми участками 0
Обувь сухая или с профилированными подметками из изоля- 10—102
циониого м атери а л а Обувь на кожаных подметках, влажная 10-1
На рис. В.11 приведены два случая поражения электрическим
током: а — человек обеими руками касается токоведущих частей,
находящихся под напряжением. При этом протекающий ток опре-
деляется величиной напряжения и сопротивлением тела человека;
б — человек одной рукой касается поврежденного аппарата, нахо-
дясь при этом на проводящем основании. В этом случае ток, про-
ходящий через тело человека, зависит не только от его сопротивле-
ния и величины напряжения, но и от ряда других сопротивлений,
например сопротивлений установки в месте ее повреждения (Ri, R2,
Rn), обуви, проводящей подставки и т. д.
Все электроустановки по напряжению подразделяют на уста-
новки до 1000 В и выше 1000 В. Анализ поражений людей электри-
ческим током показал, что больше половины их приходится на
* Говоря о сопротивлении кожи, следует иметь в виду величину ее поверх-
ности.
етановки до 1000 В — примерно 76%. Однако это не означает, что
казанные установки, иногда называемые низковольтными, более
шасны. Специально проведенные исследования показали, что
обльшую опасность представляют напряжения выше 1000 В, при
которых сильнее поражается нервная система. То обстоятельство,
Рис. В.11. Примеры поражения человека электрическим током
что большая часть несчастных случаев происходит при напряже-
нии до 1000 В, видимо, объясняется следующим фактом. Электро-
установок и различного рода агрегатов, приборов этого напряжения
очень много и с ними имеют дело большое число людей, не имею-
щих зачастую необходимых знаний об электричестве и его опасно-
стях.
Вкратце рассматривая процессы, связанные с электротравмами,
необходимо учесть, что в живых
обмен веществ, подчиненный
биохимическим и биофизиче-
ским закономерностям. Когда
живая ткань оказывается в
электрической цепи под напря-
жением, то происходит воз-
буждение молекул, при кото-
ром нарушается обмен ве-
ществ и изменяются электри-
ческие характеристики тканей.
Особенность живых тканей со-
стоит в том, что происходя-
щие в них биофизические и
биохимические процессы мо-
гут существенно изменяться в
результате действия электри-
ческого тока и раздражения
тканях непрерывно происходит
Рис. В. 12. Виды электрического тока
45
нервной системы. Сложные процессы в живых тканях/в свою
очередь влияют на сопротивление тела человека.
Поражения человека электрическим током завися/ от рода
тока. Наиболее часто встречаются постоянный ток / и переменный
синусоидальный ток 2 (рис. В. 12). Переменный ток более опасен,
чем постоянный. Часто встречается также выпрямленный ток (3
и 4), ток, возникающий при разряде конденсатора (5), а также ток
периодического разряда конденсатора на цепь с индуктивно-
стью (6). /
Величины токов по их действию на человека принято подразде-
лять на четыре диапазона (табл. В.2).
Таблица В. 2
Диапазон Переменный ток Постоянный ток
I 0—25 мА 0—80 мА
II 25—80 мА 80 мА—3 А
III 80 мА-3 А 3-8 А
IV Свыше 3 А Свыше 8 А
Диапазон I: при токах до 15 мА отпускание находящихся под
напряжением частей установок, например труб или проводов, еще
возможно; при токах 154-25 мА происходит судорожное сокраще-
ние мускулатуры, разжатие руки и отпускание находящегося под
напряжением проводника невозможно, наступает также небольшое
судорожное сокращение дыхательной мускулатуры, однако повре-
ждения возбуждающей нервной системы сердца отсутствуют.
Диапазон II; наступает значительное повышение кровяного дав-
ления, а также судорожность дыхания вплоть до остановки его.
Пока ток протекает, сердце останавливается, после прекращения
протекания — работает аритмично. При длительности протекания
25 с остановка сердца переходит в фибриляцию.
Диапазон III; наступает необратимая фибриляция желудочков
сердца, за исключением случая очень небольшой длительности про-
текания тока — 0,3 с. При этом эффекты такие же, как и при про-
текании токов диапазона II.
Диапазон IV: во время протекания тока наступает остановка
кровообращения и дыхания, последующая длительная, но обрати-
мая аритмия сердца. При столь больших токах возникают тяжелые
ожоги.
В целом электрический ток способен вызвать спазм мускулату-
ры, электролитическое воздействие, фибриляцию желудочков серд-
ца, тепловое воздействие, воздействие на нервную систему.
В литературе иногда указываются предельно допускаемые вели-
чины токов. Они представляют собой экспериментальные данные,
полученные па животных и распространенные на человека. Воздей-
ствие электрического тока в каждом конкретном случае зависит от
46
большого числа самых различных факторов, таких, как состояние
щоровьяДкожного покрова, нервной системы, атмосферы, одежды,
от того, какими частями тела соприкасается человек с токоведущи-
ми частями, хэт длительности протекания тока, рода тока и т. д. При
одних стечениях обстоятельств протекание определенной величины
тока может вызвать тяжелый исход, при других — не вызвать ника-
ких неприятностей. Величина же тока, безусловно, влияет на по-
следствия. Чем больше ток, тем выше вероятность тяжелых элек-
тротравм. \
Многочисленные^ наблюдения показали, что неожиданные при-
косновения к токоведущим частям вызывают острое раздражающее
действие на организм человека без видимых последствий либо
с последствиями в виде местных поражений.
Под электротравмой обычно понимают нарушение анатомиче-
ских соотношений и функций тканей или органов, сопровождаю-
щееся местной и общей реакцией организма и вызванное воздейст-
вием электрического тока. При электротравмах может образовы-
ваться, а может и не образовываться электрическая цепь, прохо-
дящая через тело человека. Во втором случае поражение может
проявиться в ожоге электрической дугой, ослеплении и травмах при
падении.
Основной источник электротравм — повреждение изоляции то-
коведущих частей электрооборудования. Повреждения происходят
по разным причинам: как вследствие естественного «старения» —
ухудшения со временем электрических и механических характери-
стик изоляции, так и вследствие неблагоприятного воздействия на
нее вс время аварийных процессов, например при чрезмерном на-
гревании и воздействии электродинамических усилий, вызванных
токами коротких замыканий.
К изоляции предъявляют определенные требования в отноше-
нии ее качества. Эти требования сформулированы в Правилах
устройства электроустановок (ПУЭ), Правилах технической экс-
плуатации (ПТЭ), в государственных стандартах. Например, в со-
ответствии с ПТЭ сопротивление изоляции цепей релейной защиты
(§ 216) переменного тока должно составлять 6 МОм, а для цепей
автоматического электропривода (§ 289) — 1 МОм. Во время экс-
плуатации оборудования сопротивление изоляции ухудшается.
О допустимости эксплуатации изоляции судят по разности величин
се сопротивлений во время эксплуатации и перед вводом оборудо-
вания в действие. Если снижение сопротивления произошло на ве-
личину 30% и более, то сопротивление изоляции считается недо-
. ваточным (§ 250 ПТЭ).
Огромную роль в повышении безопасности работы электрообо-
рудования напряжением выше 1000 В имеют испытания изоляции
повышенным напряжением преимущественно постоянного тока. Та-
кие испытания в СССР стали широко применяться в середине
30-х годов.
Около 80% всех электротравм происходит при однополюсных
соприкосновениях человека с токоведущими частями. Сопротивле-
47
ние образующейся при этом электрической цепи зависит/обычно
от изолирующих свойств пола. Этими свойствами во многом опре-
деляется опасность электротравм. /
Еще с начальных этапов развития электротехники/к числу эф-
фективных защитных средств относили заземление корпусов элек-
трооборудования и конструктивных металлических частей электро-
установок, которые могут оказаться под напряжением вследствие
нарушения изоляции токоведущих частей. Народу с упомянутым
заземлением к защитным мероприятиям от поражений электриче-
ским током относятся также устройство изолирующих площадок
для обслуживания оборудования, если выполнение заземления
представляет значительные трудности, а также автоматическое от-
ключение поврежденных участков.
Снижение электротравматизма достигается разработкой и вне-
дрением эффективных мероприятий по охране труда. Весьма важно
проводить тщательный анализ электротравм, выявлять те отрасли
народного хозяйства, где травмы случаются наиболее часто, с тем
чтобы предусмотреть систему мер, направленных на повышение
безопасности работы людей. Пока еще остается высоким электро-
травматизм на отдельных предприятиях коммунального и сельского
хозяйства. Часты поражения электрическим током при работе с пе-
реносными электроприборами из-за повреждения изоляции прово-
дов. При сооружении так называемых «времянок» — электрических
сетей, подающих электроэнергию к нестационарным установкам,
используемым, например, на строительстве, иногда нарушаются
правила и применяются провода, для этих целей не предназначен-
ные, что и приводит к электротравмам. «Времянки» во многих слу-
чаях являются источником повышенного травматизма.
Строгое соблюдение правил по охране труда и изучение опас-
ностей электрического тока позволяют существенно снизить элек-
тротравматизм.
Меры первой помощи. Если пострадавший в сознании, но
до этого был в обмороке или продолжительное время находился
под током, ему необходимо обеспечить полный покой до прибытия
врача и дальнейшее наблюдение в течение 2—3 ч, а в случае невоз-
можности быстро вызвать врача — срочно доставить пострадавше-
го в лечебное учреждение. Пострадавшего, находящегося в бессоз-
нательном состоянии, но сохранившего дыхание, нужно удобно
уложить на мягкую подстилку, расстегнуть одежду, обеспечить при-
ток свежего воздуха и дать понюхать нашатырный спирт. Затем
растереть тело, укрыть его и вызвать врача. В случае, когда постра-
давший не дышит или дышит редко и судорожно, нужно делать
искусственное дыхание. При отсутствии признаков жизни (дыха-
ния, сердцебиения) у пострадавшего нельзя считать его мертвым.
Смерть часто бывает кажущейся, и признать ее может только врач.
Для успешного оживления людей дорога каждая секунда. Поэтому
меры первой помощи должны оказываться немедленно и непре-
рывно в том месте, где произошел несчастный случай. Переносить
пострадавшего можно только лишь тогда, когда ему или оказываю-
48
тему помощь угрожает опасность, а также при неблагоприятных
обстоятельствах — в случае дождя, сырости, темноты и т. п. Искус-
ственное дыхание нужно делать до тех пор, пока не появятся при-
знаки самостоятельного дыхания. Однако если дыхание начнет
ослабевать, то искусственное дыхание необходимо возобновить.
Пришедшего вусознание требуется уложить, согреть и дать вале-
риановой настойки (15—20 капель).
Библиография^ Техника использования литературы в учебной
работе важна начинающим студентам прежде всего для того, чтобы
уметь пользоватьсяХтеми книжными богатствами, которые за мно-
гие годы накоплены в библиотеках, и для того, чтобы уметь нахо-
дить ту конкретную литературу, которая будет нужна для текущей
работы студента: подготовки к экзаменам, зачетам, лабораторным
работам; выполнения проектов и учебных исследований.
В одной из лекции курса «Введение в специальность» даются
основные представления о библиотечных каталогах и о том, как на-
ходить в них сведения об имеющейся литературе. Остановимся
вкратце на этих представлениях.
Читателю часто приходится иметь дело со значительными книж-
ными собраниями. Так, в библиотеке Московского энергетического
института имеется около 2 млн. томов, а фонд Государственной
библиотеки им. В. И. Ленина — национального книгохранилища —
насчитывает около 27 млн. томов.
Для удобного пользования библиотечными фондами существу-
ют специальные каталоги. Каждому читателю следует иметь пред-
ставление о двух основных типах каталогов: алфавитном и
систематическом *.
Алфавитный каталог содержит карточки с описаниями книг,
располагаемых в алфавитном порядке фамилий авторов, заглавий
и коллективов, т. е. организаций, от имени которых опубликована
данная работа. Если книга имеет не более трех авторов, ее описа-
ние следует искать в каталоге по фамилии авторов; если число ав-
торов больше трех, то карточка ставится в каталог в алфавитном
порядке заглавия; таким же образом в алфавитном порядке загла-
вий располагаются карточки с описаниями журналов.
В отдельных случаях книги и периодические издания распола-
гаются в каталоге в алфавитном порядке учреждений, обществен-
ных или иных организаций, рассматриваемых как авторы материа-
ла, опубликованного от их имени (так называемый коллективный
автор).
В алфавитном каталоге описания книг располагаются независи-
мо от их содержания. На букву «М» будет стоять карточка с описа-
нием романа, автор которого Морозов, сборника статей нескольких
торов, заглавие которого «Миниатюризация аппаратуры», и тру-
1ов Московского энергетического института (Московский энергети-
ческий институт в данном случае рассматривается как коллектив-
* Более подробные сведения и рекомендуемая литература даются в упомя-
нутой выше отдельной лекции, входящей в курс.
49
ный автор). На карточке кроме описания стоит шифр книги,
указывающий ее место на полках книгохранилища. /
Алфавитный каталог служит для быстрого нахождения конкрет-
ного произведения, выяснения наличия этого произведения в фон-
дах данной библиотеки. Алфавитный каталог можно сравнить
с адресным бюро, позволяющим быстро найти «адрес» книги.
Если читателю неизвестны авторы и заглавия книг, с которыми
он хотел бы познакомиться по определенному вопросу, ему следует
обратиться к систематическому каталогу.
В систематическом каталоге описания произведений группиру-
ются в соответствии с их содержанием (по отраслям знаний и их
подразделениям) и размещены в определенной логической последо-
вательности.
Карточки на книги, относящиеся к одной отрасли знания, объ-
единяются в систематическом каталоге, образуя отдел данной от-
расли знания (например, «Технические науки»). В систематическом
каталоге отделы широких отраслей знаний подразделяются на под-
чиненные, входящие в эти отрасли знания разделы.
Например, разделами отдела «Технические науки» будут «Исто-
рия техники», «Горное дело», «Энергетика», «Металлургия», «Тех-
нология металлов», «Машиностроение» и др.
В каждом разделе систематического каталога будут подразде-
ления. Например, карточки с описаниями литературы по энергети-
ке могут быть сгруппированы в следующие подразделы: «Электри-
ческие системы», «Электрические станции», «Техника высоких на-
пряжений» и др. В подразделе «Электрические системы» в отдель-
ные группы собран материал по передаче энергии на расстояние,
управлению электрическими системами и т. д.
Такая структура систематического каталога дает возможность
найти имеющуюся в библиотеке литературу по определенной инте-
ресующей читателя теме.
В отраслевых библиотеках обычно наиболее подробно разраба-
тываются разделы систематического каталога, соответствующие
данным отраслям.
Каждому студенту необходимо познакомиться со структурой
своей библиотеки, схемой расположения материала в систематиче-
ском каталоге, узнать, какие библиографические указатели име-
ются в ее фондах.
Глава 1
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ
§ 1.1. Энергоресурсы и их использование
Под энергоресурсами понимаются материальные объекты, в ко-
торых сосредоточена возможная для использования энергия.
Энергия — количественная оценка различных форм движения мате-
рии, которые могут превращаться друг в друга, — условно подраз-
деляется по видам: химическая, механическая, электрическая, ядер-
ная и т. д.
Из большого разнообразия энергоресурсов, встречающихся
в природе, выделяют основные, используемые в больших коли-
чествах для практических нужд.
К основным энергоресурсам относят энергию рек, во-
допадов, различные органические топлива, такие, как уголь, нефть,
газ; ядерное топливо-—тяжелые элементы урана и тория, а в пер-
спективе — легкие элементы, и т. д. Энергоресурсы разделяют на
возобновляемые и невозобновляемые. К первым от-
носятся те, которые природа непрерывно восстанавливает (вода,
ветер и т. д.), а ко вторым—ранее накопленные в природе, но
в новых геологических условиях практически не образующиеся
(например, каменный уголь).
Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топ-
лива, воды, ветра, тепла Земли, ядерная), называется первичной.
Энергия, получаемая человеком после преобразования первич-
ной энергии на специальных установках — станциях, — называется
вторичной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д.).
Станции в своем названии содержат указание на то, какой вид
первичной энергии в какую вторичную энергию на них преобра-
зуется. Например, тепловая электрическая станция (сокращенно
ТЭС) преобразует тепло (первичную энергию) в электрическую
энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС)—механиче-
скую энергию движения воды в электрическую, атомные электри-
ческие. станции (АЭС) — атомную энергию в электрическую; кроме
того, первичную энергию приливов преобразуют в электрическую
на приливных электростанциях (ПЭС), аккумулируют энергию
воды — на гидроаккумулирующих станциях (ГАЭС) и т. д.
Получение энергии необходимого вида и снабжение этой энер-
гией потребителей происходят в процессе энергетического
производства, в котором можно выделить пять стадий.
51
1. Получение и концентрация энергетических ресурсе/ добыча
и обогащение топлива, концентрация напора с помощью7гидротех-
нических сооружений и т. д. /
2. Передача энергетических ресурсов к установкам/преобразую-
щим энергию, осуществляемая перевозками по суще и воде или
перекачкой по каналам, трубопроводам воды, угля, газа и т. д.
3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую
наиболее удобную в данных условиях для распределения и потреб-
ления форму, обычно в электрическую энергию и тепло.
4. Передача и распределение преобразованной энергии.
5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в ко-
торой она доставлена потребителю, так и в еще раз преобразован-
ной.
Как распределяются при потреблении тепло и энергия, показано
на рис. 1.1, а.
Примерная (средняя) структура потребления энергетических
ресурсов в мире приведена на рис. 1.1, б. При этом надо учесть, что
если общую энергию применимых первичных энергоресурсов при-
нять за 100%, то полезно используемая энергия составит только
35—40%. Остальная часть теряется, причем большая часть в виде
тепла.
Возможности уменьшения потерь энергии ограничиваются тех-
ническими характеристиками энергетических машин, существую-
щими в настоящее время. Для выработки электроэнергии кроме
основных энергоресурсов используются механическая энергия вет-
ра («голубой уголь»), энергия приливов и отливов («синий уголь»),
тепловая энергия земных недр (геотермальная энергия), лучистая
энергия Солнца («желтый уголь»).
Различные виды энергоресурсов неравномерно распределены по
районам Земли, по странам, а также внутри стран. Места их наи-
большего сосредоточения обычно не совпадают с местами потреб-
ления, что наиболее заметно для нефти. Больше половины всех
мировых запасов нефти сосредоточено в районах Среднего и Ближ-
него Востока, а потребление энергоресурсов в этих районах в четы-
ре с лишним раза ниже среднемирового (см. введение, рис. В.2).
Концентрация потребления энергоресурсов в наиболее развитых
странах привела к такому положению (рис. 1.2), когда 30% всего
населения в мире потребляет 90% всей вырабатываемой энергии,
а 70% населения — только 10%. Эти цифры определенным образом
характеризуют социальное неравенство, отраженное в неравномер-
ности потребления энергоресурсов. Тенденция к увеличению нерав-
номерности общего потребления энергии на душу населения иллю-
стрируется рис. 1.2, где зависимость коэффициента К от времени
отражает особенности капиталистической системы.
Несовпадения мест сосредоточения и потребления энергоресур-
сов вызывают необходимость в транспортировке энергии. Энергия
может передаваться в различной форме. Например, можно перево-
зить нефть и уголь от месторождений до крупных промышленных
центров и городов и затем сжигать их на электростанциях, полу-
52
чая электрическую энергию и тепло. Возможен и другой вариант,
когда электростанция сооружается вблизи месторождений топлива,
а электрическая энергия передается по проводам к удаленным про-
мышленным Предприятиям и городам.
Целесообразность передачи на расстояние тех или иных носите-
лей энергии определяется их энергоемкостью, под которой пони-
мается количество энергии, приходящееся на единицу массы фи-
I
х) Довиваемые энергетичес-
кие ресурсы
а)
Промышлен-
ность
Еыт
ooooooooooooooooooo
OOOOOOOOOOOOOOOOOOO
0000 Z3Z7-№Z7%oooooooo
OOOOOOOOOOOOOOOOOOO
0000 jnna/ OOOOOOOOOO
OOQO 'OU/о OOoOQOJStO о о
15 о о 0 о о о О~о ОО ООО стою о о
Потери при довыче,
хранении и транс-
—портировке
Уголь
307.
6°/.Про-
мышлен-
ность
х Гидро
Разное
Me хани чес - J L
кая з°/о °
Сельское хозяйстЗо г^Выт
Транспорт 7%
Котельные
10°/.
Газ
25%1
ерть
307.
Ш
w
w
vv
vv
vv
vv
W
w
Пар-
ООООООООООО
^Электро
vv ‘
W I
VV —|
vw64
vv'
VV ;
vv;
vv
vv
ООО
ооо
ООО
gs§
Спектра
энер-
' гия
—печи
ssl
888
непосредственное
использование
топлива 50°/.
207. 207.
Ю7
ЯЕ OOo yOCOOCOOO<
^'энергия
8^
Рис. 1.1. Использование энергии:
а — распределение механической энергии и тепла, доставленных потребителям;
б — общее распределение энергетических ресурсов
53
зического тела. Среди энергоносителей, применяемых в настоящее
время, наибольшей энергоемкостью обладают радиоактивные изо-
топы урана и тория. Их энергоемкость достигает 2,22 ГВт-ч/кг
(8-10'2 Дж/кг). Вследствие огромной энергоемкости атомного топ-
лива практически не существует проблемы транспорта его на рас-
стояние, так как для работы мощных энергетических установок
требуются сравнительно малые его количества. Энергоемкость при-
меняемого сейчас топлива в среднем по всем видам составляет
0,834 кВт-ч/кг (3-106 Дж/кг).
Население
Энергия
Рис. 1.2. Мировое потребление энергоресурсов и его распределе-
ние по странам:
Эмакс и Эмин — максимальное и минимальное потребление энергии на ду-
шу населения
Органическое топливо в силу его специфических свойств и исто-
рически сложившихся условий пока остается основным источником
используемой человечеством энергии.
Топливо по своей природе относится к невозобновляемым ис-
точникам энергии, так как оно запасено в далекие доисторические
эпохи и практически не восполняется. Запасы всех видов топлива,
которое может быть извлечено из недр Земли, ограничены и оцени-
ваются по данным Мировой энергетической конференции (МИРЭК)
в 28,3 млн. ТВт-ч, или в 3480 млрд, т у. т.
За единицу условного топлива принимают такое топливо, при
сгорании 1 кг которого выделяется 29,3 МДж (8,12 кВт-ч) тепла.
Эта условная единица используется для сопоставления различных
видов топлива. Мировые запасы топлива по видам приведены
в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Вид топлива Млрд, т у. т. Млн. ТВт*ч
Каменные угли 3000 24,4
Торф 100 0,812
Нефть (свободная) 90 0,730
Нефть (в битумных песках и сланцах) 200 1,62
Природный газ 90 0,730
54
Потребление энергоресурсов быстро растет, что вызывается не-
прерывным увеличением мирового промышленного производства.
Предполагается, что к 2000 г. потребление энергоресурсов составит
160—240 тыс. ТВт-ч (20—30 млрд, т у. т.). Оставшихся после
2000 г. мировых запасов энергоресурсов без учета возможностей
ядерной и термоядерной энергетики, видимо, хватит еще на 100—
250 лет. Эти данные, конечно, ориентировочны, однако все же они
дают некоторую картину будущего. Ниже в табл. 1.2 приведены
данные о мировом потреблении важнейших энергоносителей, а на
рис. 1.3, а — один из вариантов экспертной оценки топливного
баланса.
Таблица 1.2
1965 2000
млн. т у. т. тыс. ТВт*ч млт. т у. т. тыс. ТВт*ч
Невозобновляемые ис- точники энергии: уголь 2340 19 4800—5600 39-45,5
нефть из месторож- 1965 16 6500-7400 52,6-60
дений нефть из нефтенос- — 200—300 1,62-2,42
ных песков и слан- цев природный газ 955 7,75 6700—7700 54,3-62,3
ядерное топливо — 6700—7700 54,3-62,3
торф 20 0,162 75-90 0,608-0,73
Возобновляемые ис- точники энергии: гидроэнергия 345 2,8 670-740 5,26-6
энергия приливов — 10-25 0,081-0,20
геотермическая энер- — 10-25 0,081—0,202
гия солнечная энергия — 5-20 0,08—0,162
В соответствии с прогнозами к 2000 г. предполагается значи-
тельное увеличение в потреблении ядерного топлива, которое далее
станет одним из основных.
В условиях бурного развития энергетической промышленности
и многих других отраслей техники, когда особое значение приобре-
тают вопросы загрязнения биосферы, повышенное внимание уде-
ляется возобновляемым источникам энергии, таким, как энергия
приливов, геотермическая энергия и особенно' солнечная энергия.
Интересно проследить эволюцию потребления различных видов
энергии начиная с доисторических времен (рис. 1,3,6).
Мускульная энергия человека и животных, иногда называемая
«биологической» энергией, некогда была единственным источником
энергии. В наши дни она составляет от общего потребления энергии
величину, меньшую 1% (на рис. 1.3,б не показана). Доля мускуль-
ной энергии в дальнейшем еще уменьшится. Это говорит о том, что
65
высокий уровень развития производительных сил позволил чело-
веку почти полностью переложить на машины усилия по изготов-
лению необходимой продукции. Для того чтобы машины могли вы-
полнять такую работу, человек на основе познанных им и практи-
чески используемых законов природы должен был привести в дей-
ствие огромные мощности, приложив их к средствам труда. Эти
мощности современных орудий труда стали неизмеримо превышать
ту максимальную мощность, которая могла быть получена за счет
биологических источников.
Первыми источниками тепла были различные органические
остатки и древесина. Древесина на протяжении длительного перио-
да, вплоть до XVI в., была основным энергоносителем. Впоследст-
вии, по мере относительно быстрого освоения других, более энерго-
емких источников энергии (угля, нефти), сокращается потребление
древесины, использование которой в качестве энергоносителя до
2000 г. должно полностью прекратиться (рис. 1.3, б).
Среди всех видов доступных энергоресурсов наибольшая доля
приходится на уголь—75—85%; значительны запасы нефти (10—
15%) и газа (5—10%); все остальные энергоресурсы в совокупно-
Мускульная
энергия
Г77ТП Отходы
У/М-Л (органические остатки)
О Каменный
уголь
Природный
газ
Нефть
Гидро -
энергия
Дерево [iyTI Уголь [ Щ Нефть
[щтттт1 Природный в Электра-
1ШШШ газ Ей™ энергия
Рис. 1.3. Энергетические ресурсы Зем-
ли и их использование:
а — прогноз топливно-энергетического ба-
ланса: 7 — оценка западноевропейских экс-
пертов, 7/ — прогноз специалистов восточ-
ноевропейских стран; б — историческое из-
менение структуры энергии, потребляемой
человеком; в — прогноз мирового потребле-
ния горючих полезных ископаемых
56
сти составляют меньше 2%. Среди используемых видов топлива
уголь занимал наибольшую долю (порядка 70%) от всех исполь-
зуемых энергоресурсов в начале XX в. По мере увеличения потреб-
ления нефти, газа и электроэнергии доля угля уменьшалась, хотя
общее количество добываемого угля существенно возрастало. Уро-
вень 1972 г. характеризуется выравниванием потребления таких
энергоресурсов, как уголь, нефть и газ, а в некоторых странах
даже уменьшением (в абсолютных цифрах) добычи угля.
Прогноз расходования мировых запасов органического топлива
(рис. 1.3, в) неоднократно служил поводом для высказываемых
в западных странах опасениях об «энергетическом голоде», «тепло-
вой смерти» и т. д., якобы ожидающих человечество. Однако для
таких мрачных предсказаний нет оснований. Напротив, можно по-
лагать, что на смену органическому топливу, запасы которого дей-
ствительно уменьшаются, придут новые эффективные источники
энергии, и в первую очередь ядерная энергия, получаемая при де-
лении тяжелых элементов и синтезе легких элементов.
Органическое топливо, представляющее собой ценное сырье для
химической и фармацевтической промышленностей, должно в буду-
щем применяться именно в этих целях.
. Разумное сочетание различных энергоресурсов и плановое раз-
витие энергетики несомненно позволили бы избежать тех трудно-
стей, приобретающих иногда катастрофический характер, которые
возникли в 1973—1975 гг. в ряде капиталистических стран. Эти
трудности, получившие в западных капиталистических странах и
в США название энергетического кризиса, были вызваны многолет-
ним хищническим использованием международными монополиями
сырьевых ресурсов стран и континентов (см. рис. В.2).
Так, международный нефтяной картель, состоящий из семи мо-
нополий (пять из которых американские), практически полностью
контролировал добычу нефти в странах Арабского Востока и проч-
но захватил доминирующие позиции на рынках государств — по-
требителей нефти. Этот картель в целях извлечения максимальных
прибылей тормозил работы по использованию других видов энер-
гии. В странах Западной Европы сокращалась добыча каменного
угля, закрывались шахты, часто неоправданно придерживалось
развитие атомной энергетики.
Монополии, картели не останавливались ни перед какими сред-
ствами, чтобы сохранить свои позиции. В ряде стран, например,
они давали огромные взятки, чтобы провалить законы о национа-
лизации энергетики (США) или дискредитировать и затормозить
программу строительства атомных станций (Италия) и т. д.
Ориентация энергетики на нефть, дававшую монополиям огром-
ные прибыли, требует в перспективе значительного увеличения ее
добычи. В то же время начиная с 1973 г. страны — производители
нефти стали требовать все большую долю прибылей: они повысили
на нее закупочные цены и заявили о намерении держать прирост
добычи нефти в определенных пределах, поставив тем самым раз-
витые капиталистические страны перед необходимостью пересмотра
57
их энергетической политики. В этом пересмотре рядом планов и
проектов возлагались большие надежды на атомные электростан-
ции. Однако такого рода переориентация энергетической политики
сопряжена с многими трудностями, такими, как необходимость по-
лучения ядерного топлива, потребность в дополнительных капита-
ловложениях (которые трудно изыскать в условиях перенапряжен-
ных бюджетов развитых капиталистических стран), частное владе-
ние землей, стимулируемое конкурирующими фирмами недоверие
общественного мнения по обеспечению безопасности атомных элек-
тростанций. Между тем раздуваемая печатью (особенно США)
тема энергетического кризиса явно преувеличена. Все соображения
и данные о мировых запасах энергоресурсов следует рассматри-
вать как приближенные, так как пока все еще недостаточно изуче-
ны земные недра (обследована небольшая часть залежей на суше
и практически не изучены ресурсы топлива под дном Мирового
океана), имеется неудовлетворительного качества статистический
материал о залегании энергоресурсов, в различных странах суще-
ствуют разные методики учета запасов и, кроме того, используются
различные подходы к оценке запасов. В одних случаях исходят из
общегеологических запасов, в других — из достоверных, подтверж-
денных геологической разведкой, в третьих — из запасов, которые
могут быть извлечены исходя из экономических, географических,
технологических и прочих условий. Например, по данным Мировой
энергетической конференции, общегеологические запасы топлива
планеты оценивались примерно в 200 млн. ТВт-ч, а далее было
показано, что с помощью современных технологических методов
может быть добыто при оправданных экономических затратах
более 28 000 млн. ТВт-ч, что в 380 000 раз превышает современный
уровень годовой добычи в мире всех видов топлива. Характерно то
обстоятельство, что, несмотря на быстрое расходование энергоре-
сурсов, их потенциальные запасы по мере проведения разведки не
уменьшаются, а увеличиваются (см. § 1.2).
Значения запасов энергоресурсов и показателей их добычи оп-
ределяются эффективностью их полезного употребления. Усовер-
шенствование технических установок, позволяющее более полно,
(т. е. с большим к. п. д.) использовать первичные энергоресурсы,
означает, что для получения одного и того же количества энергии
требуется все меньшее количество первичных ресурсов. Если
к оценке использования первичных ресурсов подойти с позиций уче-
та их энергии по веществу, определяемой из известного соотноше-
ния Е = тС2, то придется констатировать, что преобразование их
в электроэнергию на станциях различных типов (табл. 1.3) проис-
ходит с крайне низким коэффициентом полезного действия (к. п. д.).
При этом наибольший к. п. д. соответствует атомным станциям,
а наименьший — гидроэлектростанциям. Значения расхода энерго-
носителей и к. п. д., приведенные в табл. 1.3, определены для элек-
тростанций одинаковой мощности (1 ГВт), вырабатывающих за
сутки 24 ГВт-ч (86,4-1012 Дж) энергии.
58
Расчет к. п. д. по веществу может производиться следующим об-
разом *. Через турбины ГЭС мощностью 1 ГВт для получения энер-
гии 120-1012 Дж необходимо пропустить 700-106 т воды. Эта масса
воды обладает внутренней энергией 630-1026 Дж. Следовательно,
к. п. д. по веществу т]= (120-10I2/630-1026) • 100% =0,19-10~12. Ана-
логично находится к. п. д. для ТЭС и АЭС (табл. 1.3): т)=0,2-10~5
и т] = 0,1 10“'. К. п. д. по использованию топлива у этих
станций составляют 25—40 и 15—30% соответственно.
Таблица 1.3
Потребное количество
энергоносителей для выра-
ботки 33,4 ГВт«ч
(120*10*2 Дж) электроэнергии
Тип станции
(мощность каждой станции 1 ГВт)
К. п. д. ло веществу,
вовлеченному в энер-
гетический процесс,
%
Вода —700- 10е т
Уголь — 6400 т
Нефть — 4600 м3
Газ — 536 000 м3
0,2-10-5
* См. статью Неймана Л. Р. в журнале «Энергетика и транспорт»,
1970, № 2, с. 7.
59
Продолж, табл. 1.3
Вопрос об увеличении к. п. д. процессов получения энергии яв-
ляется очень острым. В целом это увеличение непрерывно происхо-
дит. Так, производство электроэнергии в мире за 10 лет (1955—
1965 гг.) выросло в 1,97 раза (табл. 1.4), за 15 лет (1950—
1965 гг.) — в 3,5 раза. За этот последний период производство пер-
вичных энергоресурсов возросло только в 2 раза. Это произошло
вследствие повышения к. п. д. энергетических установок и увеличе-
ния доли расходования первичных ресурсов для выработки элек-
троэнергии.
Таблица 1.4
Географические районы мира 1955 1965 Рост производства электроэнергии, %
ТВт-ч % ТВт*ч %
Весь мир 1673 100 3292 100 197
Северная Америка 773 46,0 1302 39,5 169
Центральная и Южная 47 2,8 105 3,2 224
Америка Социалистические 80 4,8 186 5,6 232
страны Европы СССР 192 11,5 507 15,4 265
Азия 122 7,3 271 8,2 224
Африка 28 1,7 57 1,7 204
Австралия и Океания 25 1,5 48 1,5 192
Увеличение к. п. д. особенно важно для нашей страны (при
быстром росте в ней энергетики), хотя она и является одной из са-
мых богатых стран мира по геологическим запасам топлива, кото-
рые по отношению к мировым составляют: по углю — более 50%,
по газу—40% и по торфу—60%. В СССР имеются большие гидро-
60
энергетические ресурсы (более 10% мировых). Удельный вес гидро-
энергии в последние годы в выработке электроэнергии составил
примерно 15% в СССР и 18% в США. В мировом производстве
электроэнергии на долю гидроэнергии приходится около одной чет-
верти. В целом по общей выработке электроэнергии СССР обогнал
все, кроме США, высокоразвитые в экономическом отношении госу-
дарства. Сегодня сбываются сказанные на VIII Всероссийском
съезде Советов слова В. И. Ленина: «Если Россия покроется густой
сетью электрических станций и мощных технических оборудова-
ний, то наше коммунистическое хозяйственное строительство станет
образцом для грядущей социалистической Европы и Азии» *.
§ 1.2. Виды энергоресурсов и их запасы
Инженеру-энергетику необходимо иметь хотя бы самое общее
представление о тех запасах различного вида топлива, которые
имеются в мире. Рассмотрим в этом плане различные виды топ-
лива.
Уголь. Общие геологические запасы угля в мире оцениваются
в 61 —114 млн. ТВт-ч (7500—14 000 млрд, т у. т.), из которых
24,4 млн. ТВт-ч (3000 млрд, т у. т.) относятся к достоверным запа-
сам. Наибольшими достоверными запасами располагают Советский
Союз и Соединенные Штаты. Значительные достоверные запасы
имеются в ФРГ, Англии, КНР и ряде других стран. Современная
техника и технология позволяют экономически оправданно добы-
вать лишь 50% от всех достоверных запасов угля.
В энергобалансе СССР в начале 70-х годов произошли сущест-
венные изменения: ископаемые угли уступили занимаемое ими ра-
нее первое место нефти и газу. По тоннажу добыча угля значитель-
но превышает добычу нефти, но выраженный в условном топливе
удельный вес углей оказался меньшим, чем удельный вес жидкого
и газообразного минерального топлива. Однако роль угля в снаб-
жении народного хозяйства нашей страны в перспективе возрастет
и будет исключительно велика. Углепромышленные бассейны
имеются в пределах РСФСР (Печорский, Кузнецкий, Кан-
ско-Ачинский, Иркутский, Подмосковный), на Украине (Донецкий,
Днепропетровский, Львовско-Волынский) и в Казахстане (Караган-
динский и Экибастузский). Узлы мирового масштаба древнего на-
копления угля находятся в Восточной и Западной Сибири. Среди
подсчитанных общих геологических запасов углей СССР более
90% составляют запасы энергетических углей и менее 10% прихо-
дится на долю дефицитных коксующихся углей, необходимых для
металлургии. Энергетические угли имеются на площадях, пригод-
ных для открытой разработки (202 млрд. т). Это Канско-Ачинский
бассейн в Восточной Сибири, где имеются запасы бурых углей
в мощных (от 20 до 40 м) пластах, залегающих на глубине менее
200 м от поверхности, и многие другие.
* Ленин В. И. Поли. собр. соч„ т. 42, с. 161.
61
Безусловно, неблагоприятно то, что 93% общесоюзных запасов
углей находится на территории, расположенной к востоку от Ура-
ла, а 60% добываемого в СССР угля потребляется на Урале и
в западных районах. В связи с этим выросла и добыча угля в евро-
пейской части Советского Союза до 50% общегосударственной, что
не вполне согласовано с имеющимися здесь ресурсами. Особенно
богато угольными бассейнами и месторождениями пространство
между Тургайской низменностью и озером Байкал до 60° с. ш.,
прилегающее к Сибирской и Южно-Сибирской магистралям. Оно
включает !/3 всех подсчитанных запасов углей (Карагандинский,
Экибастузский, Майкюбейский, Кузнецкий, Минусинский, Канско-
Ачинский, Иркутский бассейны). На базе этих полезных ископае-
мых и комплексе других создаются новые промышленно-экономиче-
ские районы и центры.
Еще большие угольные ресурсы имеются в Красноярском крае
и Якутской АССР за 60° с. ш. В недрах Тунгусского, Ленского и
Таймырского бассейнов заключается 60% наших угольных бо-
гатств, которые в силу природных условий и отдаленности от про-
мышленных районов еще только начинают осваиваться.
В последнее время большое внимание уделяется изучению и
освоению углей Южной Якутии, Северо-Востока и Дальнего Восто-
ка, что связано с развитием металлургической и горнорудной про-
мышленности, строительством Байкало-Амурской магистрали.
В этих краях насчитывается более 3% общесоюзных запасов углей
(Зарынский, Буреинский, Верхне-Суйфунский, Сучанский, Мага-
данский бассейны). На одном из них возможна открытая добыча
угля в крупном масштабе (Зырянский бассейн). Однако развитие
добычи дешевых энергетических углей в Сибири и Казахстане
в любых масштабах (что позволяют сделать имеющиеся там запа-
сы) не разрешит проблемы снабжения главных потребителей этого
вида топлива — промышленности Урала и крупных ТЭС, находя-
щихся в западных районах страны. Дальность перевозки каменных
углей из Казахстана на Урал и в Поволжье и полная нерентабель-
ность транспортировки на значительное расстояние рыхлых и вы-
сокозольных сибирских бурых углей, а также нерешенность задачи
сверхдальней передачи электроэнергии заставляют обратить осо-
бое внимание на расширение площадей с энергетическими углями
в старых углепромышленных районах и поиски новых месторожде-
ний на Западе СССР. В этом отношении перспективны Донецкий и
Печорский бассейны, обладающие реальными для освоения запа-
сами энергетических углей *.
Каменный уголь состоит из остатков флоры, существовавшей на Зем-
ле в геологические эпохи задолго до нашего времени. В каменноугольный период
жизни земного шара поверхность планеты была обильно покрыта растениями.
Многие из современных растений, такие, как папоротник, в ту эпоху имели на-
* Все оценки запасов носят ориентировочный характер, у разных авторов —
разные оценки. Они приводятся здесь только как оценки порядка
величин.
62
много большие размеры. Каменный уголь образовался после отмирания растений
н покрытия их осадочными породами.
Растения в период своей жизни запасают химическую энергию, превращая за
счет энергии солнечных лучей углекислоту и воду в растворимые углеводы, откла-
дывая их в виде клетчатки в стволах и ветках. Белковые вещества в растениях
получаются синтезом неорганических азотсодержащих веществ, поступающих из
почвы, и органических веществ, выработанных за счет энергии Солнца. По выра-
жению акад. П. П. Лазарева, «...химическая энергия, запасенная в древесных по-
родах, есть превращенная энергия Солнца» *.
Если дерево сжечь в присутствии кислорода с образованием углекислоты,
воды и первоначальных азотистых соединений, то полученное при этом тепло
будет отвечать энергии, доставленной растению Солнцем.
Каменный уголь, представляющий собой почти чистый углерод,
выделяет при сжигании до 8,14 кВт-ч/кг (29,3 МДж/кг) энергии.
84%-Углерод
Примерное содержание различ-
ных элементов в каменном угле
показано на рис. 1.4.
Нефть. Оценка мировых запа-
сов нефти в настоящее время
представляет особый интерес.
Это вызвано быстрым ростом ее
потребления и тем, что во мно-
гих. странах (Япония, Швеция
и др.) нефть при производстве
электроэнергии вытеснила уголь,
хотя в последнее время этот про-
цесс приостановился.
Мировые геологические запасы нефти оцениваются в 200 млрд, т,
из которых 53 млрд, т составляют достоверные запасы. Более поло-
вины всех достоверных запасов нефти расположено в странах Сред-
него и Ближнего Востока. В странах Западной Европы, где имеют-
ся высокоразвитые производительные силы, сосредоточены относи-
тельно небольшие запасы нефти (табл. 1.5).
2% -Сера
1% -Азот
В°А-Кислород
5°/а- Водород
Рис. 1.4. Примерный состав каменного
угля
Таблица 1.5
Страна, район
% от достоверных
мировых запасов
нефти
США
Латинская Америка и район Карибского моря
Канада
Западная Европа
Африка
Страны Ближнего и Среднего Востока
9,8
7,0
2,1
0,5
8,1
60,9
* Лазарев П. П. Энергия, ее источники на Земле и ее происхождение.
Изд-во АН СССР, 1959.
Оценки достоверных запасов нефти по своей природе динамич-
ны. Их величина изменяется по мере проведения разведок новых
месторождений. Геологические разведки, осуществляемые в широ-
ких масштабах, приводят, как правило, к увеличению достоверных
запасов нефти. Все имеющиеся в литературе оценки запасов явля-
ются условными и характеризуют только порядок величин.
Исключительно быстрый рост потребления нефти определяется
в основном четырьмя причинами:
1) развитием транспорта всех видов и в первую очередь автомо-
бильного и авиационного, для которых жидкое топливо пока неза-
менимо;
2) лучшими показателями добычи, транспортировки и использо-
вания (по сравнению с твердым топливом);
3) стремлением в кратчайшие сроки и с минимальными затра-
тами перейти к использованию природных энергетических ресур-
сов;
4) в промышленно развитых капиталистических странах —
стремлением получить возможно большие прибыли за счет эксплуа-
тации нефтяных месторождений развивающихся стран.
Несоответствие между размещением нефтяных ресурсов и места-
ми их потребления или центрами производительных сил привело
к бурному прогрессу в развитии средств транспортировки нефти,
в частности к созданию трубопроводов большого диаметра (боль-
ше 1 м) и танкеров большой тоннажности.
Соотношения между производством энергоресурсов и их потреб-
лением. Проследив по группам стран и районов такие соотношения,
можно наглядно представить картину экспорта и импорта энерге-
тических ресурсов. Примерно 75%' всего мирового потребления
коммерческих энергоресурсов приходится на 10 стран: США, СССР,
Великобританию, Японию, ФРГ, Канаду, Францию, Италию, ГДР
и Чехословакию. Из них только Советский Союз имеет положитель-
ный топливный баланс, т. е. полностью обеспечивает свои потреб-
ности за счет собственных коммерческих энергоресурсов и продает
топливо другим странам. Остальные 9 стран покрывают спрос на
энергоресурсы за счет импорта. Причем потребление ими коммер-
ческих энергоресурсов все время превышает их производство. Та-
кое же положение имеется и в ряде других стран: превышение про-
исходит в Дании в 28, Швейцарии — в 15, Финляндии — в 11,
Швеции —• в 5,8, Италии — в 4,5 раза.
Для каждой страны вопросы импорта топлива играют большую
роль во внешней политике и в том положении, которое занимает
эта страна в международной торговле, так как при значитель-
ных объемах экспортируемой готовой продукции значительная
часть валютных затрат на импорт энергоресурсов возвра-
щается.
Северная Америка, Западная Европа и страны Дальнего Восто-
ка находятся в большой зависимости от импорта энергоресурсов из
стран Среднего и Ближнего Востока, которые, экспортируя огром-
64
нос количество энергоресурсов (см. рис. В.2), потребляют относи-
тельно небольшое количество.
Нефть была известна еще древним грекам и римлянам, которые называли ее
питтолиумом. В VI в. до н. э. горючие газы, выделяющиеся из нефтяных источни-
ков на Апшеронском полуострове, дали повод к обожествлению вечного огня,
в честь которого сооружались храмы. Примерно в то же время жидкую нефть,
разлитую по берегам Каспийского моря, использовали для освещения и лечения
кожных болезней. В древности нефть, вытекающую из трещин в земле и нефтя-
ных скважин, собирали в специальные ямы, из которых она впоследствии заби-
ралась для хозяйственных нужд. По мере увеличения потребности в нефти, при-
мерно с XVI в., стали вырывать специальные глубокие колодцы, откуда черпали
нефть. Месторождения нефти представляют собой пористые пласты песчаника
или известняка, пропитанные жидкостью.
Сооружение колодцев в те времена было делом опасным. Колодец необхо-
димо было рыть до пропитанного нефтью пласта, по мере приближения к которо-
му нефтяные газы просачивались в колодец и делали невозможным дыхание.
Один из таких колодцев па Апшеронском полуострове сохранил надпись о том,
что он сооружен в 1594 г.
С помощью колодцев нефть добывали до XIX в. Первая в мире нефтяная
скважина пробурена в 1848 г. Ф. А. Семеновым в урочище Биби-Эйбат на берегу
Каспийского моря.
Нефть по своему виду и свойствам представляет бурую жидкость, содержа-
щую в растворе газообразные и легколетучие углеводороды. Она имеет своеобраз-
ный смоляной запах. При перегонке нефти получают ряд продуктов, имеющих
важное техническое значение — бензин, керосин и смазочные масла, а также вазе-
лин, применяемый в медицине и парфюмерии.
Чтобы объяснить происхождение залеганий нефти, ученые пользовались ре-
зультатами опытов, при которых производилось нагревание до высоких темпера-
тур растений и остатков животных без доступа воздуха. В результате такого
нагревания, называемого сухой перегонкой, образовывались углеводороды, сход-
ные с углеводородами, заключающимися в нефти.
Предполагалось, что в древиие времена существовавшая и умершая флора
и фауна была покрыта осадочными породами на дне морей и океанов, которые
образовались при опускании земной поверхности. Можно допустить, что опуска-
ние земной поверхности происходило до больших глубин, где органические остат-
ки под действием тепла Земли превращались в нефть. Такое воззрение составляет
основу биолого-геологической теории образования нефти, подтвержденной много-
численными исследованиями.
Природный газ. Мировые геологические запасы газа оценива-
ются в 140—-170 трлн, м3, из которых 70 трлн, м3 приходится на
долю СССР и 34 трлн, м3 — на долю США. Распределение запасов
газа по странам и районам приведено в табл. 1.6. Эти цифры сле-
Таблица 1.6
Страна, район % от мировых достоверных запа- сов газа
США 27,5
Канада 4,3
Страны Латинской Америки и район Карибского моря 6,2
Средний и Ближний Восток 20,6
Африка 15,1
Страны Дальнего Востока । 2,3
СССР и страны с плановой экономикой 14,4
3 Зак. 1540 65
дует рассматривать как весьма приближенные, изменяющиеся по
мере проведения разведок. Так, запасы газа в СССР, оценивав-
шиеся в 1937 г. в 986 млрд, м3, выросли к настоящему времени
в 71 раз.
В СССР в последние годы достигнуты крупные успехи в разви-
тии нефтегазодобычи. В 1974 г. добыто 459 млн. т нефти и
261 млрд, м3 газа, что превышает годовую добычу 1965 г. по нефти
более чем в 1,7 раза и по газу — в 2,3 раза. Такие темпы роста
оказались возможными благодаря открытиям за последние 10—
12 лет новых нефтегазоносных районов в Волго-Уральской области,
Западной Сибири, Мангышлаке, Туркмении, Коми АССР, Белорус-
сии, Днепровско-Донецкой впадине, на Северном Кавказе, на аква-
тории Каспия. Недавно открытые нефтеносные районы Западной
Сибири менее чем за 10 лет дали 270 млн. т горючего. В Татарской
АССР добыто в 1973 г. более 103 млн. т нефти.
В СССР количество ежегодно открываемых месторождений неф-
ти и газа было в пределах от 115 в 1965 г. до 79 в 1969 г., значи-
тельная часть из них относилась к группе мелких месторождений.
Геологи-поисковики не могут открывать избирательно только круп-
ные и уникальные месторождения, и поэтому следует научиться
рентабельно разрабатывать и мелкие месторождения, не забывая
о решающей роли крупных месторождений в увеличении добычи
и запасов нефти и газа.
Нефть и газ будут нужны нашей стране в будущем в не меньшей
степени, чем сейчас, и не столько как энергетическое топливо,
сколько как ценнейшее сырье для химической промышленности.
В настоящее время известно уже более 5000 синтетических полез-
ных продуктов из нефти и газа, и число их ежегодно увеличивается
на 400. Однако пока всего 3—5% от добытых запасов перерабаты-
ваются как химическое сырье.
Нефтяные и газовые месторождения открываются на глубине
и могут быть оценены только бурением глубоких скважин, являю-
щихся завершающим этапом в комплексе геологоразведочных ра-
бот на нефть и газ. Затраты на бурение составляют более 70% от
затрат на проведение всех геологоразведочных работ.
Гидроэнергетические ресурсы. Гидроэнергетические ресурсы на
Земле оцениваются величиной в 32 900 ТВч-ч в год, из которых
около 25% по техническим и экономическим условиям оказываются
пригодными для использования. Эта величина примерно в 2 раза
превышает современный уровень ежегодной выработки электро-
энергии всеми электростанциями мира, т. е. определенные запасы
гидроэнергии еще имеются. В табл. 1.7 содержатся данные о гидро-
энергоресурсах в различных странах.
Гидроэнергетический потенциал рек Советского Союза велик —
4000 млрд. кВт-ч (450 млн. кВт среднегодовой мощности), или
12% от потенциала рек земного шара. В нашей стране широкое ис-
пользование гидроэнергетических ресурсов впервые было преду-
смотрено в 1920 г. в ленинском плане электрификации России
(ГОЭЛРО). По этому плану намечалось строительство 10 крупных
Таблица 1.7
Государства Мощность, ГВт Государства Мощность, ГВт
при среднего- довых расхо- дах воды (обес- печенность 50%) при минималь- ных расходах воды (обеспе- ченность 95%) при среднего- довых расхо- дах воды(обес- печенность 50%) при минималь- ных расходах воды (обеспе- ченность 95%)
СССР 249,4 79,5 Франция 5,8 3,4
США 53,9 25,0 Италия 5,2 2,8
Канада 25,1 15,85 Швейцария 3,8 2,4
Япония 13,2 5,6 Испания 5,0 2,9
Норвегия 20,0 12,0 Германия 3,7 1,5
Швеция • 8,9 2,9 Англия 1,2 0,6
по тому времени гидроэлектростанций (Волховская, Днепровская,
Свирская и др.) с установленной мощностью в 640 МВт. К 1941 г.
мощность всех гидростанций составила 1,4 ГВт. В военные годы
широко развернулось строительство ГЭС в Средней Азии, а в по-
слевоенные до 1966 г. — в северо-западных районах (Кольский по-
луостров, Карелия, Ленинградская . область и Эстонская ССР),
в Закавказье, а также на Волге, Каме и Днепре. В конце этого
периода было начато строительство крупнейших гидростанций
в Сибири (Братской, Красноярской, Усть-Илимской, Саяно-Шушен-
ской).
Количество ГЭС, включенных в энергосистему СССР, составило
в 1965 г. 174 с общей мощностью в 21,7 ГВт. Таким образом, к это-
му времени освоение энергетического потенциала рек СССР соста-
вило 4,8%, а уже к 1970 г. достигло 10%.
В последние два пятилетия усиленно развивается освоение
гидроресурсов Ангары и Енисея, где возможно строительство кас-
кадов 16 ГЭС с производительностью до 265 ТВт-ч в год. Наме-
чается широко развернуть разработку канско-ачинских углей,
на базе которых намечено создание топливно-энергетического
комплекса с мощностью электростанций около 70 ГВт.
Вода океанов и морей, испаряясь под действием солнечной радиации, конден-
сируется в высоких слоях атмосферы в виде капелек, собирающихся в облака.
Вода облаков падает в виде дождя в моря, океаны и на сушу или образует мощ-
ный снеговой покров гор. Дождевая вода дает начало рекам, питающимся под-
земными источниками. Круговорот воды в природе происходит под влиянием
солнечной радиации, благодаря которой появляются начальные процессы
круговорота — испарение воды и движение облаков. Таким образом, кинетическая
энергия движущейся в реках воды есть, образно говоря, освобожденная энергия
Солнца.
В отличие от невозобновляемой химической энергии, запасенной
в органическом топливе, кинетическая энергия движущейся в реках
воды возобновляема — на гидроэлектростанциях она превращается
в электрическую энергию.
Энергия приливов и отливов. К использованию этих видов энер-
гии в последнее время проявляется значительный интерес.
3* 67
Рис. 1.5. Влия-
ние положения
Солнца и Луны
на приливы
Явления приливов и отливов связаны главным
образом с положением Луны на небосклоне. Солн-
це также влияет на приливы и отливы, однако эф-
фект его . влияния примерно в 2,6 раза меньше.
В течение лунных суток, т ,е. за 24 ч 50 мин, дважды
наблюдается повышение и понижение уровня воды
в морях и океанах. Амплитуда колебаний уровня
воды в различных точках земного шара зависит от
широты и от характера берега континента. Ее вели-
чина может быть значительной: так, около Магел-
ланова пролива зарегистрирована амплитуда коле-
баний уровня воды 18 м, а около берегов Амери-
ки— 21 м. Приливы и отливы могут на многие
километры, как, например, во Франции, менять
границу воды и суши.
В закрытых морях (Каспийском, Черном) эф-
фекты приливов и отливов практически незаметны.
Максимального уровня приливная волна достигает в тех случаях,
когда Земля, Луна и Солнце находятся на одной прямой (рис. 1.5).
Это следует из тех пояснений, которые впервые дал на основе своей гравита-
ционной теории Ньютон.
Вкратце его объяснение сводится к следующему. Пусть на Землю в направ-
лении LB (рис. 1.6) действует сила притяжения Луны. Эта сила создает ускоре-
ние Земли а3, направленное по прямой
Рис. 1.6. Характер распределения во-
ды по поверхности Земли под дейст-
вием Луны
Крывающей Землю, также справедливы
LB. Ускорение воды, находящейся в зо-
не А, больше, чем ускорение Земли, а
ускорение воды, находящейся в зоне В,
меньше, чем ускорение Земли. Различие
в ускорениях приводит к смещению
массы воды, которое в преувеличенном
виде показано на рис. 1.6. При враще-
нии Земли выпуклости воды будут пере-
мещаться относительно ее поверхности,
создавая трение, называемое приливным
и приводящее к замедлению вращения
Земли. По отношению к атмосфере, по-
приведенные рассуждения и, как пока-
зали проведенные исследования, в атмосфере действительно существуют прилив-
ные волны. Энергия приливов постоянностью своего проявления выгодно отли-
чается от энергии (стока) рек, величина которой существенно зависит от атмо-
сферных факторов, носящих вероятностный характер.
Об использовании энергии приливов еще издавна мечтал человек. Сотни лет
Назад на побережье Европы и Северной Америки сооружались приливные мель-
ницы. Некоторые из них и сейчас работают в Англии и во Франции. Водяные
колеса таких мельниц устанавливались при входе в бассейн и приводились во
вращение течением воды.
В настоящее время сооружено несколько мощных электростан-
ций, использующих энергию приливов. Однако большая стоимость
сооружения таких станций, трудности, связанные с неравномерно-
стью их работы (пульсирующий характер выдачи мощности), не
позволяют пока считать приливные станции достаточно эффектив-
ными, в связи с чем развитие их идет медленно. Общая мощность
68
приливных волн оценивается в 2—3 ТВт, однако Мощность прили-
вов в местах, удобных для ее использования, значительно меньше.
Ядерная энергия. Тепловое содержание геологических запасов
урана в мире оценивается величиной, превышающей в 320 раз теп-
ловое содержание всех мировых запасов минерального топлива.
Однако общегеологическая оценка имеет малое практическое зна-
чение, так как добыча урана решающим образом зависит от кон-
центрации его запасов. По данным Международного агенства по
атомной энергии, общее количество урана, которое может быть до-
быто при сравнительно низких затратах (ниже 22 долл, за 1 кг)
составляет 1500 тыс. т. При затратах, превышающих в 2—3 раза
существующие сейчас, можно будет добыть приблизительно
в 10 раз больше урана. Полагают, что овладение энергией ядерного
распада примерно удвоило бы энергетические ресурсы мира.
Однако при очевидных достоинствах развития энергетики с по-
мощью ядерных реакций нельзя пройти мимо одного отрицательно-
го момента, связанного с получением электроэнергии на современ-
ных атомных установках. Это то обстоятельство, что цепная
реакция в них осуществляется в урановых стержнях или смеси гра-
фита и урана, но не во всей массе, а только в изотопе 235U, содер-
жащемся в количестве 0,7% в основном элементе — 238U. Поэтому
уже в самом начале «атомной эры» возникла проблема поисков
путей более экономного использования урана. Уже в 1949—1950 гг.
наметилась в перспективе возможность создания реакторов-размно-
жителей на быстрых нейтронах. Опытные реакторы этого типа
были построены в Обнинске, и к концу 50-х годов в них было до-
стигнуто воспроизводство ядерного горючего. В настоящее время
в СССР, США, Англии и Франции разрабатываются новые типы
реакторов на быстрых нейтронах, позволяющие использовать зна-
чительно большую (примерно в 20 раз) часть делящегося материа-
ла, чем в обычных котлах, работающих на тепловых нейтронах.
Таких реакторов-размножителей мощностью в 250—350 МВт во
всем мире имеется три. Один из них работает с 1972 г. в г. Шевчен-
ко, а два других находятся во Франции и Англии.
По прогнозу Международной комиссии по атомной энергии,
в 1980 г. мощность всех АЭС в мире составит 284 ГВт, а потреб-
ность в окиси урана достигнет 450 тыс. т. С развитием строитель-
ства реакторов-размножителей возможно, что еще до конца XX в.,
в 80-е — 90-е годы, атомная энергия займет первое место в выра-
ботке электроэнергии, в получении технологического тепла и опрес-
нении морской воды.
Научная и инженерная мысль сейчас усиленно работает также
над созданием для далекого будущего еще одного нового источника
энергии. Речь идет об осуществлении термоядерного контролируе-
мого синтеза, который может стать для будущих поколений мощ-
ном источником электроэнергии и тепла. При термоядерном син-
тезе используется изотоп водорода — дейтерий, содержащийся
в морской воде. Энергия, выделяющаяся при термоядерной реак-
ции на единицу топлива, по весу превосходит энергию, получаемую
69
при расщеплейии (делении) тяжёлых ядер урана йлй плутоййй.
Количество тепла, выделяемого при реакции одним килограммом
газообразного дейтерия, соответствует энергии, выделяемой при
сжигании 10 тыс. т угля. Важно и то, что ядерный синтез не дает
радиоактивных отходов. Однако на пути к энергетике будущего
встало немало трудностей по удержанию термоядерной плазмы
в реакторах. В последние годы советские ученые стали разрабаты-
вать наряду с другими методами метод лазерного термоядерного
синтеза, который, возможно, разрешит эти трудности. Лазерный
метод термоядерной реакции сейчас усиленно разрабатывается на
опытных установках в нашей стране, США, Англии, во Франции,
в ФРГ и Японии.
Всякого рода энергетические превращения могут быть сведены к изменению
скоростей и взаимного расположения тел или частиц, составляющих тело. Так,
при изменении внутренней энергии тела происходит изменение скоростей движе-
ния частичек, составляющих это тело, и меняется его температура.
Молекула, как известно, состоит из атомов. Энергия молекулы слагается из
кинетической энергии движения атомов и потенциальной энергии взаимного рас-
положения атомов. Изменение взаимного расположения атомов приводит к выде-
лению или, наоборот, к поглощению энергии, называемой химической. Положи-
тельная разность между потенциальной энергией молекул, вступающих в реак-
цию, и потенциальной энергией молекул, полученных в результате реакции, пере-
ходит в кинетическую энергию молекул, что означает повышение температуры.
Например, повышение кинетической энергии молекул происходит при сжигании
органического топлива. Извлечь химическую энергию можно из сравнительно не-
большого числа веществ, так как основная часть их находится в состоянии
с наименьшей потенциальной энергией молекул.
Если бы атом был неделим, то химическими превращениями исчерпался бы
весь перечень источников энергии. А атом состоит из ядра и электронной оболочки.
Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов, называемых нуклонами.
Изменения во взаимном расположении нуклонов сопровождаются выделением
или поглощением ядерной энергии (чаще ее называют атомной). Для того чтобы
вызвать ядерную реакцию, нужно привести в соприкосновение любые различные
ядра, аналогично тому, как для осуществления химической реакции нужно при-
вести в соприкосновение молекулы различных веществ. Однако осуществить экс-
периментально сближение ядер трудно из-за небольших их размеров по сравне-
нию с размерами атомов и действия электростатических сил отталкивания между
ядрами. Поэтому нужно одно из ядер настолько ускорить, чтобы оно смогло пре-
одолеть отталкивание ядра-мишени и приблизиться к бомбардируемому ядру иа
расстояние, примерно равное его радиусу.
Нуклоны в ядре испытывают специфические силы взаимного притяжения на
расстояниях порядка 10-13 см. Между протонами действуют также кулоновские
электростатические силы отталкивания. Ядерные силы притяжения быстро убы-
вают с возрастанием расстояния между нуклонами. Кулоновские силы отталки-
вания убывают медленнее. Нуклоны, расположенные на поверхности ядра, испы-
тывают притяжение только с одной стороны пространства, поэтому их потенци-
альная энергия больше, чем у нуклонов, расположенных внутри ядра. Ядро стре-
мится принять такую форму, при которой его потенциальная энергия была бы
минимальной, т. е. принять форму сферы.
Потенциальная энергия ядра определяется ядерными силами взаимодействия
между нуклонами. Предположим, что ядро разделилось на две равные части.
При этом притяжение друг к другу нуклонов, расположенных внутри осколков,
не изменится, следовательно, не изменится внутренняя потенциальная энергия.
Общая поверхность ядер увеличится и соответствующая этим ядрам потенциаль-
ная энергия также увеличится. Следовательно, Деление ядер должно сопрово-
ждаться поглощением энергии, необходимой для увеличения поверхностной энер-
гии. Кулоновская энергия отталкивания при делении ядер напротив уменьшается,
70
так как число протонов в каждой из составных частей ядер будет меньше. Таким
образом, при делении ядер существуют два противоположно действующих явле-
ния. Преобладание первого или второго явления определит, будет ли реакция
деления ядер сопровождаться поглощением или выделением энергии. Можно
найти такие «пограничные» условия, при которых деление ядер ие будет сопро-
вождаться ни поглощением, ни выделением энергии. Количественные показатели
увеличения поверхностной энергии при делении ядер или уменьшении кулонов-
ской энергии отталкивания зависят от количества протонов и нейтронов в ядре,
или, другими словами, от «тяжести» ядра. Как показывают расчеты и опыты, де-
ление ядер будет сопровождаться выделением энергии при числе нуклонов в ядре
больше 100 (Л > 100), т. е. при делении тяжелых ядер.
Для легких ядер реакция деления протекает с затратой энергии. Следова-
тельно, обратное направление реакции слияния (синтеза) ядер должно приводить
к «выигрышу» в энергии, так как потенциальная энергия нуклонов исходных
ядер больше потенциальной энергии нуклонов синтезированного ядра. Легкие
элементы, так же как и тяжелые, могут рассматриваться в качестве ядерного
«горючего».
Для того чтобы произошла реакция слияния ядер, нужно их приблизить
друг к другу настолько, чтобы начали действовать между нуклонами ядерные
силы притяжения (расстояние порядка 10-13 см). Но на таких расстояниях дей-
ствуют большие силы кулоновского отталкивания, и для их преодоления ядра
должны иметь значительные величины кинетической энергии. Чтобы создать усло-
вия, благоприятные для возникновения реакции синтеза, необходимо нагреть
вещество до такой температуры, при которой оно было бы полностью ионизиро-
вано, т. е. отсутствовали бы электронные оболочки (ионизированные состояния
вещества необходимы для того, чтобы не расходовалась энергия на вырывание
электронов). Кроме того, температура вещества должна быть достаточной для
сообщения ядрам кинетической энергии в несколько десятков килоэлектрон-вольт.
Расчеты показывают, что температуру необходимо довести до нескольких мил-
лионов градусов. Отсюда и название реакции «термоядерная». Для того чтобы
такие реакции были энергетически выгодными, температура плазмы должна быть
доведена до нескольких сотен миллионов градусов. Столь высокие температуры
характерны для внутренних областей Солнца и звезд, где в течение многих мил-
лиардов лет происходят термоядерные реакции.
Основная трудность в осуществлении термоядерной реакции состоит в том,
что при нагревании плазмы в термоядерном реакторе разлетаются быстрые ча-
стицы и наступает такой момент, когда подведение энергии не приводит к даль-
нейшему повышению температуры плазмы.
Нет сомнений в том, что в ближайшем будущем будет решена проблема
управляемой термоядерной реакции. Человечество получит дешевый и практи-
чески неисчерпаемый источник энергии. Запасов одного только дейтерия, содер-
жащегося в морях и океанах мира, хватит для выработки в течение миллиарда
лет в 1000 раз большего количества энергии, чем то, которое сейчас дают все
электростанции мира.
Прочие энергоресурсы. Громадные запасы энергоресурсов, та-
ких, как энергия ветра, Солнца, геотермическая энергия, энергия,
обусловленная разностью температур в глубинах океанов и на по-
верхности, и т. д., используются совершенно незначительно.
Энергия ветра на земном шаре оценивается примерно в 175—
219 тыс. ТВт-ч в год [причем развиваемая им мощность достигает
(204-25)-109 кВт]. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного
расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может
быть использовано только 5% от этой величины; в настоящее же
время используется значительно меньше. Применять ветер, т. е.
энергию движения воздуха, человек начал еще в глубокой древно-
сти. Задолго до нашей эры финикяне, египтяне, греки и римляне
приводили в движение свои парусные корабли с помощью ветра,
71
которым, согласно греческой мифологии, управлял Эол, по своему
желанию выпускающий ветры, заключенные в пещере. Энергия
ветра обеспечила открытие Америки, так как именно благодаря
постоянным ветрам, дующим в северном полушарии с северо-восто-
ка на юго-запад, Колумбу удалось достичь берегов Америки.
Постоянные воздушные течения к экватору со стороны северного и южного
полушарий образуют систему пассатов. Изучением природы возникновения посто-
янных воздушных течений занимались многие выдающиеся исследователи. Астро-
ном Галилей впервые точно описал воздушные течения в северном и южном полу-
шариях и объяснил их возникновение в 1686 г. По его предположению, в районе
экватора происходит более интенсивное нагревание воздуха, который устрем-
ляется вверх, а со стороны севера и юга подтекают более холодные потоки воз-
духа. Как было впоследствии показано, такой эффект существует, но он играет
вспомогательную роль по сравнению с эффектом вращения Земли. Астроном Гад-
лей в 1735 г. указал, что вращение Земли оказывает главное влияние на образо-
вание пассатов. Заслуга в разработке теории зональных движений слоев воздуха
принадлежит Гельмгольцу. Он показал, что общая циркуляция атмосферы проис-
ходит главным образом из-за вращения Земли, при котором под действием цен-
тробежной силы инерции воздушные массы отбрасываются в районе экватора
в верхние слои атмосферы. На место ушедших масс воздуха с севера и с юга
подтекают новые воздушные слои. Следует сказать, что теория Гельмгольца не
объясняет полностью циркуляцию атмосферы. Например, в ней не нашел отра-
жения тот факт, что постоянные морские течения увлекают за собой воздушные
массы. Для полного представления об атмосферной циркуляции потребуется про-
ведение большого числа экспериментальных и теоретических исследований.
Помимо постоянных движений воздушных слоев существуют периодические
движения воздуха с моря на сушу и обратно в течение суток (бризы) и года
(муссоны). Происхождение бризов и муссонов обусловлено различными нагрева-
ниями воды в морях и поверхности суши вследствие их различной теплоем-
кости.
При современном техническом использовании энергии ветра
стремились учесть опыт тех стран, в которых ветряные двигатели
издавна широко применялись, особенно в Дании и Голландии —
классических странах ветряных мельниц.
Многие видные советские исследователи, такие, как проф.
Н. Е. Жуковский и акад. С. А. Чаплыгин, внесли большой вклад
в развитие ветряных двигателей. Однако опыт применения ветря-
ных двигателей для сельской электрификации в нашей стране не
дал пока положительных результатов в связи с неравномерностью
возможного получения энергии, необходимостью регулирования
ветроустановок для стабилизации параметров энергии и рядом дру-
гих затруднений.
Солнечная энергия, как упоминалось ранее, является основным
источником энергии. Солнце обладает огромными запасами энер-
гии. Рассеиваемая в течение года энергия Солнца оценивается фан-
тастической цифрой в 3,48-1030 кВт-ч. На поверхность Земли при-
ходит в течение года 7,5-1017 кВт-ч. Эта величина намного превос-
ходит все возможные суммарные расходы энергии на нужды чело-
вечества. Опа запасена в виде химической энергии органического
топлива и превращается в кинетическую энергию движения воды
в реках п ветра. Естественно, возникает вопрос, нельзя ли непо-
средственно полезно использовать солнечную
72
радиацию для нагревания тел Или получения химических ре-
акций.
В историческом отношении одним из первых интересных приме-
нений энергии солнечных лучей явилось создание группой француз-
ских инженеров установки, демонстрировавшейся в Париже
в 1900 г. В этой установке двигатель работал за счет лучистой энер-
гии Солнца и приводил в движение небольшой типографский ста-
нок. Однако многочисленные попытки получить электрическую
энергию в промышленных масштабах за счет энергии Солнца не
приводили к успеху.
Еще в 1821 г. была установлена возможность получения э. д. с.
в цепи, образованной двумя разнородными веществами, спаи кото-
рых находятся при разной температуре; было обнаружено, что ве-
личина э. д. с. прямо пропорциональна разности (Л—Тг) темпе-
ратур:
£=а(7’1-7’2).
Коэффициент а зависит от материала. Позже Пельтье обнару-
жил обратное явление: при пропускании тока через спай двух ме-
таллов в последнем выделяется или поглощается тепло, величина
которого пропорциональна току.
Длительное время эффект появления термоэлектродвижущей
э. д. с. использовался только для измерения температуры. Приме-
нение этого эффекта для выработки электроэнергии было невыгод-
ным из-за низких значений к. п. д. и коэффициента а. Положение
резко изменилось с появлением полупроводников, когда создалась
возможность реально использовать поток солнечной энергии, пада-
ющий на Землю. Как писал по этому поводу акад. А. Ф. Иоффе,
Солнце, в течение тысячелетий бывшее проклятием пустыни, сде-
лается ее благословением.
В настоящее время ведутся исследования по разработке спосо-
бов реального использования лучистой энергии Солнца для получе-
ния электроэнергии. Однако в настоящее время солнечные батареи
пока еще не могут конкурировать с другими средствами получения
электроэнергии для земных целей, но недавние усовершенствования
в технологии производства фотопреобразователей вызвали к жизни
новые предложения по использованию солнечной энергии в широ-
ких масштабах. Среди них — дом с солнечным энергоснабжением
(некоторые сторонники этой идеи верят, что она воплотится
в жизнь в ближайшие 10 лет), центральная солнечная станция и,
как более отдаленная перспектива, крупные орбитальные электро-
станции, передающие энергию на Землю. В случае применения фо-
топреобразователей на Земле должны предусматриваться какие-
либо средства для аккумуляции энергии, так как вследствие вра-
щения нашей планеты и изменчивости облачного покрова солнеч-
ная энергия Поступает с перерывами. На космические солнечные
электростанции солнечная энергия будет поступать регулярно, но
для их Практической реализации потребуется значительно снизить
стоимость доставки компонентов станций на орбиту. Технология
73
фотопреойразователей уже достаточно разработана, к. п. д. сблйей-
ных батарей будет достигать 20%. Можно заметить, что солнечные
батареи широко применяются на космических кораблях, где вопро-
сы экономии отходят на задний план.
На планете имеются значительные запасы энергии в виде тепла
земных недр. Энергия глубинного тепла Земли практически неис-
черпаема, и ее использование весьма перспективно. Земля непре-
рывно отдает в мировое пространство тепло, которое постоянно
восполняется за счет распада радиоактивных элементов.
Термальные воды широко применяются для отопления и горяче-
го водоснабжения в ряде стран. Так, столица Исландии — Рейкья-
вик — почти полностью обогревается подземным теплом. В боль-
ших масштабах термальные воды для теплоснабжения используют
в Австралии, Новой Зеландии, Италии.
Практическое использование тепла Земли зависит от глубины
залегания достаточно горячих источников. Чтобы объяснить при-
роду геотермальных явлений, рассмотрим наиболее интересное из
них — извержение вулканов. По мере увеличения глубины земной
коры, или литосферы, повышается температура. На глубине 40 км
температура равна 1200° С. При этой температуре и атмосферном
давлении произошло бы плавление пород. Однако в земных недрах
на такой глубине повсеместно плавления не происходит из-за боль-
шого давления — порядка 1210 МПа.
В тех местах, где давление, обусловленное весом покрывающих
пород, снято или значительно уменьшено, происходит плавление.
Подобные явления наблюдаются при перемещениях земной коры,
когда наряду с образованием складок при сжатиях образуются тре-
/дины при растяжениях. Расплавившаяся в трещинах масса может
достигать поверхности Земли и выходить в виде лавы, горячих га-
зов и водяного пара. Иногда такая масса, поднимаясь по трещинам
и разломам, не доходит до поверхности Земли вследствие расшире-
ния и уменьшения давления. При этом нагретые теплом больших
глубин породы медленно остывают в течение десятков и сотен
тысяч лет.
Передача тепла от массы к поверхности происходит за счет
теплопроводности покрывающих пород и конвекции выделяющихся
из массы горячих газов и водяного пара. Горячие газы и пар, под-
нимаясь по трещинам к поверхности Земли, могут встретить воду,
которую они нагревают. Нагретая вода выходит на поверхность
в виде горячих источников. Эта вода может быть использована на
геотермальных электростанциях. Объем выходящей на поверхность
воды с течением времени меняется.
Анализ работы геотермальных электростанций в Новой Зелан-
дии и Италии показал, что со временем падают давление и темпе-
ратура в скважине и значительно оседает поверхность земли вокруг
скважины на площади примерно в 6 км2, а производительность
скважин убывает со временем по экспоненциальному закону. На
базе геотермических источников в Новой Зеландии и Италии рабо-
тают электростанции, вырабатывающие 40 и 6% соответственно
74
электроэнергии от общей выработки в стране. Такие станции есть
в США и Японии.
В нашей стране на Камчатке у вулкана Камбальный первая
опытно-промышленная геотермальная Паужетская электростанция
мощностью в 5 МВт вступила в строй в 1967 г. Вслед за ней анало-
гичная электростанция была построена недалеко от г. Петропавлов-
ска-Камчатского. Проектируется геотермальная станция на о. Ку-
нашире. Начинается проектирование крупнейшей ТЭЦ мощностью
в 300 МВт в районе Авачинской сопки на Камчатке, где температу-
ра пород на глубине 3,5 км достигает 600° С. С помощью буровых
скважин в раскаленные недра здесь будут направлены речные
воды; превратившись в пар, они приведут в действие мощные тур-
бины электростанции. Горячей водой будут отапливаться жилые
дома, школы, заводы и, по примеру Исландии, — теплицы.
Имеются предпосылки к энергетическому использованию тер-
мальных вод в республиках Закавказья и на Северном Кавказе
путем заложения глубоких скважин у очагов потухших вулканов.
Перспективны для горячего водоснабжения, но не для энергетиче-
ских целей, глубинные воды Чукотки, Сахалина, Прибайкалья, За-
байкалья, Западной Сибири и Средней Азии.
Для выработки энергии применяется также торф, общие запа-
сы которого в мире определены весьма приближенно. Это объясня-
ется тем, что во многих странах торф не используется в качестве
источника энергии. Ориентировочные запасы торфа составляют
величину примерно 225—261 млрд, т из расчета 25% влажности.
В заключение заметим, что первичные энергоресурсы, имею-
щиеся в природе, используются человеком для получения энергии
только после преобразований к виду, удобному для практического
применения. Характер энергетических потоков первичных энергоре-
сурсов, таких, как нефть, уголь, газ, гидроэнергия и др., был пока-
зан на рис. 1.1,6. Следует обратить внимание на то, что примерно
30—40% от добытых и предназначенных к полезному использова-
нию ресурсов теряется при добыче, транспортировке и хранении.
Распределение топливных ресурсов потребителям — для выработки
электроэнергии, получения горячей воды и пара в котельных уста-
новках, непосредственного использования в промышленности и на
транспорте — происходит по довольно сложной схеме с возможной
взаимозаменяемостью. Это распределение также сопровождается
потерями энергии. Гидроэнергия в основном используется для вы-
работки электроэнергии.
ВЛИЯНИЕ ТЕХНИКИ И ЭНЕРГЕТИКИ НА БИОСФЕРУ
§ 2.1. Соотношение естественных явлений в природе
с процессами в искусственных установках
Общий прогресс, особенно бурно протекающий в последнее вре-
мя в условиях научно-технической революции, достиг такого высо-
кого уровня, что человек в результате своей промышленной дея-
тельности оказывает весьма заметное влияние на биосферу. Дейст-
вительно, мощность только стационарных электростанций мира
примерно равна 1,5 ТВт, а мощность всех установок, вырабатывае-
мых энергию, не меньше 8—9 ТВт, что примерно соответствует
мощностям таких явлений, как испарение влаги с поверхности
Земли (0,5 ТВт), как приливы в морях и океанах (2—3 ТВт), как
действие термических градиентов океана и суши (2—2,5 ТВт),
и даже таких колоссальных проявлений сил природы, как земле-
трясения (1,5—100 ТВт). Вырабатываемая человеком энергия
влияет на естественные процессы, происходящие на нашей планете.
Энергия всех видов топлива, добываемого в настоящее время на
планете в течение года, равна примерно 50 тыс. ТВт-ч. Это состав-
ляет менее 0,01% от энергии Солнца, посылаемой на Землю, но и
при таких величинах вырабатываемой энергии тепловой эффект
оказывается заметным в тепловом балансе планеты и существенно
влияющим на климат, особенно на отдельных, наиболее «энергети-
чески напряженных» территориях (см. рис. В.5).
Соотношения мощностей искусственно созданных человеком
устройств, преобразовывающих энергию, с мощностями, естествен-
но существующими в природе (см. рис. В.5), дополнительно иллю-
стрируются рис. 2.1, где ориентировочные величины мощностей вы-
ражены в ваттах.
Практическая и хозяйственная деятельность человека историче-
ски складывалась таким образом, что он, как правило, не задумы-
вался о ее последствиях, отражающихся на изменении окружающей
среды. Это было допустимо до тех пор, пока масштабы этой дея-
тельности и приводимые в результате ее в движение энергетические
ресурсы проявлялись незначительно по сравнению с мощностями
явлений в окружающей природе. В некоторых случаях появляв-
шиеся неблагоприятные изменения ограничивались отдельными
районами. Так, например, когда вырубались леса, когда станови-
лась неплодородной земля из-за нерационального ведения сельско-
го хозяйства, человек мог переносить свою деятельность в другое
место. При этом долгое время ограниченность территории не ощу-
76
Рис. 2.1. Примерные мощности в природе и в искусственных, розданных челове-
ком установках (порядок величин)
Г
щалась. Однако более глубокий анализ процессов освоения новых
территорий при бурной колонизации, происходившей в ХуШ—
XIX вв., позволил Ф. Энгельсу уже тогда высказать мысль/о том,
что человек не может и не должен подходить к природе как завое-
ватель; он должен считаться с ее законами, иначе в результате
своей деятельности он оставит пустыню. /
Сегодня люди уже в повседневной жизни ощущают последст-
вия, порой крайне неблагоприятные воздействия, на окружающую
среду. Наблюдается интенсивное загрязнение вредными вещества-
ми атмосферы, в результате чего меняется ее газовый состав,
быстро сокращаются площади, занятые лесами; нарушается эколо-
гическое равновесие между атмосферой и мировым океаном вслед-
ствие засорения океана нефтью и прочими техническими продукта-
ми, происходит так называемое тепловое загрязнение воды и воз-
духа, нагреваемых различными промышленными отходами. Осо-
бенно пагубно воздействие на окружающую среду в местах наи-
большего сосредоточения техники — в крупных городах.
Иногда создается впечатление, что развитие цивилизации, при-
званное служить на благо человеку, приводит к настолько сильным
отрицательным последствиям, что грозит уничтожить саму цивили-
зацию. Эти опасения, иногда искусственно раздуваемые печатью,
особенно в США и западных странах в целом, конечно, необосно-
ванны. Именно высокий уровень развития культуры, науки, тех-
ники должен и будет служить той основой, на которой создается
разумное гармоничное взаимоотношение человека и природы. Че-
ловечество, несомненно, сможет предвидеть как положительные,
так и отрицательные аспекты технической деятельности и преду-
смотреть систему мер, направленных на сведение к минимуму не-
благоприятных воздействий на окружающую среду. Существующее
в настоящее время противоречие между техническим прогрессом и
природой должно явиться той движущей силой, которая приведет
к качественному изменению технического прогресса, призванного
в будущем способствовать благотворному созидательному воздей-
ствию на окружающую среду.
§ 2.2. Развитие энергетики в ее взаимосвязи с окружающей средой
Современные энергетические системы, как было отмечено выше,
находятся в тесной взаимосвязи с многогранными аспектами всей
деятельности человека. Они прямо влияют на самые различные от-
расли народного хозяйства (промышленность, транспорт, сельское
хозяйство), на экономику, социальные условия, состояние биосфе-
ры и т. п. Существует также обратное влияние различных факторов
деятельности человека на состояние и развитие энергетики. Именно
поэтому энергетические системы и следует рассматривать как под-
системы единой глобальной системы функционирования человече-
ского общества (рис. 2.2, а, б).
При управлении работой энергетической систелйя, при прогнози-
ровании и проектировании ее развития, а также проведении науч-
78
1п>1Х\йссЛедовйний необходимо учитывать взаимовлияние энйрйеЛй-
ческой системы, связанных с ней систем народного хозяйства и
биосферы. Развитие энергетики оказывает непосредственное влия-
ние на общий уровень развития техники. В свою очередь достиже-
ния в различных областях техники отражаются на состоянии энер-
гетики. Энергетика, биосфера, социальная и экономическая дея-
Рис. 2.2. Энергетическая система и ее связи:
fl —энергетика как составная часть глобальной системы народного хозяйства; б —
энергетика как составная часть биосферы
79
Ярким, хотя и гипотетическим, примером проявления тако» свя-
зи может служить идея сооружения плотины, которая перекрыла
бы Гибралтарский пролив и позволила бы соорудить сверхмощную
гидроэлектростанцию. Сооружение такой плотины и гидроэлектро-
станции, как подтвердила специальная Европейская комиссия энер-
гетиков, вполне возможно. Однако оно вызвало бы значительное
понижение уровня воды в Средиземном море, в связи с че^м многие
портовые города (Марсель, Ницца и др.) оказались бы Удаленны-
ми от моря, что существенно изменило бы экономику и социальный
уклад жизни населения Южной Европы. Изменение поверхности
моря приведет к заметному нарушению климата. Безусловно, воз-
никнут какие-то, пока трудно оцениваемые, геологические измене-
ния, поскольку уменьшение давления воды на дно моря приведет
к более интенсивной вулканической деятельности. Обмеление Сре-
диземного моря вызовет заметное повышение процентного содер-
жания солей, что отрицательно скажется на флоре и фауне моря.
Итак, если рассматривать проблему в чисто техническом аспек-
те с позиций только энергетики, то можно сделать вывод о безус-
ловной целесообразности сооружения в Гибралтарском проливе
гидроэлектростанции, которая сможет вырабатывать большое коли-
чество дешевой электроэнергии и благотворно влиять на режимы
работы энергетических систем Европейских стран. Но с более ши-
роких позиций, при системном подходе, учитывающем аспекты
влияния на биосферу и социальные условия, необходимо сделать
противоположный вывод — о недопустимости сооружения этой пло-
тины и гидростанции.
Влияние социальных условий на работу энергетических систем
некоторых промышленно развитых стран (например, США) можно
рассмотреть на примере, когда часть тепловых электростанций, ра-
ботающих на органическом топливе, приходится использовать на
неполную мощность или даже останавливать из-за чрезвычайно
больших загрязнений атмосферы отходами от топлива этих стан-
ций, в то время как по «техническим» и узко понимаемым «эконо-
мическим» соображениям именно эти электростанции наиболее же-
лательно использовать на их полную мощность.
При оценке работы современных энергетических систем прихо-
дится считаться еще и с тем обстоятельством, что они охватывают
обширные территории отдельных стран или даже групп стран и
имеют исключительно важное значение в обеспечении нормальной
жизни общества. Поэтому к надежности их работы предъявляют
чрезвычайно высокие требования. Аварии в энергетических систе-
мах, как правило, влекут очень тяжелые социальные и материаль-
ные последствия.
Примером этому может служить известная авария 1965 г.
в США, когда почти на 14 ч огромная территория страны, в том
числе и крупнейший город Нью-Йорк, полностью остались без
электроэнергии. Это привело к полному нарушению жизни города
и района: остановились все предприятия, транспорт, в неосвещен-
ном городе возникали происшествия и преступления.
80
Надежность энергетики, как и вообще ее техническое совершен-
ство, 'определяются успехами энергетической науки, которая
взаимосвязана с другими науками: фундаментальными и приклад-
ными, естественными и техническими. Развитие энергетической
науки оказывает, в свою очередь, влияние на смежные науки, на-
пример такие, как кибернетика, математика, физика, химия и т. д.,
и в то же\ время достижения этих паук сказываются па развитии
энергетики.
Энергетическая паука, как и любая наука, постоянно разви-
вается, непрерывно углубляя и расширяя входящие в нее знания.
Некоторые из положений энергетической науки со временем
подвергаются критическому анализу с позиции новых результатов
и могут быть признаны неудовлетворительными, требующими даль-
нейшего совершенствования и приведения в соответствие с теми
количественными и качественными сдвигами, которые произошли
в этой области знаний. Современная энергетическая наука рассмат-
ривает энергетику как большую систему, свойства которой должны
изучаться с применением системного подхода. Для любой большой
системы, и большой системы энергетики в частности, характерно
наличие глубоких прямых и обратных связей между отдельными
подсистемами и элементами, которые делают невозможным «рас-
членение» системы на отдельные элементы при изучении их
свойств.
Большая система энергетики, охватывающая обширные геогра-
фические районы и содержащая огромное число взаимосвязанных
элементов, представляет собой единое, качественно новое по срав-
нению с простым набором элементов образование.
Как у больших биологических систем, так и у больших энерге-
тических систем нельзя изолированно рассматривать свойства от-
дельных органов или элементов без учета сложных взаимосвязей
со всем организмом или системой. Для электроэнергетической си-
стемы свойственно единство происходящих в ней процессов. Изме-
нения условий работы в каких-либо частях, например изменения,
вызванные аварийными явлениями, практически мгновенно отража-
ются на работе всей системы.
В последнее время при управлении большими системами энерге-
тики становится все более настоятельной потребность учитывать
не только технические свойства самих энергетических систем, но
и сложные связи энергетических систем с самыми различными си-
стемами или подсистемами, составляющими в совокупности единую
глобальную систему функционирования. Многие функции управле-
ния системами возлагаются на различные автоматические устрой-
ства, имеющие большую скорость срабатывания и высокую чувст-
вительность к изменениям условий работы системы.
Еще до недавнего времени специалисты-энергетики занимались
только техническими вопросами в своей области. Сегодня уже
Нельзя решить технические вопросы энергетики, не рассматривая
их влияние на биосферу, социальные условия жизни людей и свя-
занные с ней отрасли народного хозяйства.
81
| 2.3. Биосфера и технический прогресё /
Понятие биосферы впервые было введено в начале XX ш акад.
В. И. Вернадским. Под биосферой понимается область, занятая жи-
вым веществом. Она охватывает часть суши (литосферу), атмосфе-
ру и полностью гидросферу (Мировой океан).
Атмосферой или воздушным океаном называется слой Тазов,
следующий за суточным движением Земли. Атмосфера распростра-
няется от поверхности Земли на несколько тысяч километров. Об-
щая масса атмосферы равна примерно (5—6) • 1015 т, что составляет
около одной миллионной массы Земли. Несмотря на относительно
большую вертикальную протяженность атмосферы, более половины
общей массы ее сосредоточено в слоях ниже 5 км.
В состав сухой атмосферы входят следующие газы: азот (79—;
80% по объему), кислород (19—20%), а также аргон, углекислый
газ и некоторые другие элементы (около! %). Кроме названных
газов в атмосфере находятся водяные пары и другие примеси.
Атмосфера выполняет функции защитного покрова, предохраняю-
щего Землю от чрезмерного остывания и нагревания. Наличие
в ней водяных паров и углекислого газа оказывает сильное влияние
на тепловой режим Земли. Содержание углекислого газа в атмо-
сфере оценивается величиной 0,03%. Эта величина изменяется
в зависимости от интенсивности жизнедеятельности организмов и
процессов горения. В крупных городах процентное содержание уг-
лекислого газа достигает 0,05—0,07% и больше. Предполагается*,
что ежегодно сжигается 5—10 млрд, т кислорода (что пока практи-
чески незаметно).
Природная среда изменяется в результате хозяйственной дея-
тельности человека. Известно, что состав воздуха меняется очень
медленно. Однако эти изменения зачастую носят необратимый ха-
рактер. Особенно большую тревогу вызывает заметное увеличение
в атмосфере углекислого газа. За последнее столетие, как показы-
вают наблюдения и расчеты, содержание углекислого газа увеличи-
лось на 15%, что в весовом выражении составляет 360 млрд. т. По
оценкам ООН, к 2000 г. ожидается увеличение углекислого газа
в атмосфере на 50%, что объясняется возрастающим сжиганием
органического топлива на электростанциях, в промышленности и на
автотранспорте.
Накопление углекислоты в атмосфере объясняется сокращени-
ем площади растительного покрова и загрязнением океана нефте-
продуктами. За последние несколько столетий было вырублено бо-
лее 50% леса. Если полностью вырубить лес, то это может приве-
сти, как полагают, к нарушению газового состава атмосферы, так
как лес имеет существенное значение в процессах потребления из
атмосферы углекислого газа и выработки кислорода.
Сокращение естественного растительного покрова Земли объяс-
няется увеличением площади под пашни, города, транспортные
* Точные измерения и расчеты начаты только в последние годы.
82
сооружения, искусственные водоемы. Кроме того, происходит зна-
чительное тепловое загрязнение водоемов при сбрасывании в них
тепловой воды. На поверхности Земли осаждаются отходы в виде
золы, серы и других твердых частиц. На рис. 2.3 показано, как
бы загрязнялась территория нашей страны и росла бы площадь 5,
занятая под города, промышленность, транспорт и затопления, если
\
5, кмг
Обжитая территория СССР 9-10млн. км2-
Уголь ^000 \млн тл/&оЭ
Зола 360 J '
1960 1970 1980 1990 2000
Рис. 2.3. Влияние технического прогресса на окружающую
среду
бы все развитие электростанций, городов и промышленности шло
на основе технических решений, принимаемых в восьмой пятилетке.
В этом случае к 2000 г. тепловые станции ежегодно загрязняли бы
территорию величиной примерно такой же, как и обжитая часть
нашей страны, 360 млн. т золы и другими отходами сгоревшего
в огромном количестве угля — 4 млрд. т. Кроме того, «тепловое
загрязнение» водоемов, ориентировочно оцениваемое выбросами
4,19-1010 ГДж тепла, привело бы к повышению температуры водое-
мов до величин порядка 30° С. Сразу же подчеркнем, что в действи-
тельности за счет применения новой техники решения должны быть
и будут более благоприятными.
Круговорот энергии, запасенной в органическом топливе, и за-
грязнение окружающей среды продуктами его сгорания схематич-
но показаны на рис. 2.4. Эта схема имеет принципиальное значение,
но она весьма условна, поскольку процессы накопления топлива и
его. потребления протекают с несоизмеримыми скоростями. Практи-
чески, как уже отмечалось ранее, органическое топливо в виде угля
и нефти относится к невозобновляемым источникам энергии.
В настоящее время ежегодно в моря и океаны попадает от 6 до
12 млн. т нефти из-за потерь в морских нефтяных скважинах, ава-
рий танкеров и их очистки. Одна тонна нефти покрывает пленкой
до 12 км2 акватории. Нефтяной пленкой уже сейчас покрыта почти
S3
l/s поверхности Мирового океана, что ограничивает взаимосвязи
океанов с атмосферой. /
Значительный вред растительности и живым организмам/ океа-
нов наносят отравляющие вещества, рассеиваемые на полйх для
борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений. Много лет
назад, наблюдая пагубное воздействие цивилизации на природу,
Жан-Жак Руссо говорил о том, что все хорошо, выходя из рук
Творца вещей, но все вырождается в руках человека. Сейчас интен-
сивность этих воздействий резко выросла. Одно только повышение
содержания углекислого газа в атмосфере, если оно будет идти
теми же темпами, может вызвать катастрофические изменения
условий жизни на Земле. Углекислый газ поглощает длинноволно-
вое излучение нагретой поверхности Земли, нагревается и тем
самым способствует сохранению на ней тепла. Увеличение доли
углекислого газа в атмосфере вместе с ростом выработки электро-
энергии может привести к увеличению на несколько градусов тем-
пературы низких слоев атмосферы, а это может привести к таянию
ледников Гренландии и Антарктиды и затоплению части суши, на
которой сейчас проживает почти ’Д часть населения.
Солнце
С 02,
выделяю -
щаяся при
выхонии
Окись
' <.угперооа
О кислы серы
Оглеводаровы
О кислы азота
С02., выделяющаяся
при сжигании горючи/ д Тепло
ископаемых. 6 г
Рис. 2.4. Круговорот энергии, получаемый при сжигаиии горючих ископае-
мых ’
84
По ^предварительным расчетам, предельно допустимая величина
вырабатываемой на Земле в течение года энергии не должна пре-
вышать 3—5% от энергии, передаваемой на Землю Солнцем (как
было сказано выше, сейчас это — менее сотых долей процента, и до
катастрофического положения пока еще далеко!).
Наряду с увеличением содержания углекислого газа происходит
уменьшение доли кислорода в атмосфере. Потребление кислорода
промышленностью для сжигания топлива постоянно растет. Еже-
годно при сжигании топлива расходуется 10—13 млрд, т свободно-
го кислорода из атмосферы. Один только самолет типа «Боинг» при
перелете из Парижа в Нью-Йорк использует 35 т кислорода, а при
взлете выбрасывает столько же ядовитых веществ, сколько 5000—
6000 автомобилей. Автомобиль средней мощности, пробегая
1000 км, расходует годовую норму потребления кислорода чело-
веком.
Несмотря на то что процентное содержание кислорода в атмо-
сфере велико, высказываются опасения, что при 5 %-ном приросте
сжигаемого топлива примерно через 50—100 лет доля свободного
кислорода может понизиться с 23,3 весовой единицы до критиче-
ских для человека 17 весовых единиц. Кроме того, в атмосферу вы-
брасываются различные вредные вещества, количество которых
растет вместе с развитием промышленности.
Особенно вредное воздействие на животный и растительный мир
оказывает загрязнение атмосферы окисью серы. Содержание сер-
нистого газа в количестве 20 мг/м3 вызывает раздражение дыха-
тельных путей, а содержание 400—500 мг/м3 представляет опас-
ность для жизни людей.
Наибольшее загрязнение атмосферы серой приходится на долю
электростанций и отопительных установок. Приведенные в табл. 2,1
данные были собраны в США. Однако примерно такие же соотно-
шения справедливы и для других развитых в техническом отноше-
нии стран.
Таблица 2. 1
Отрасли промышленности, устройства Общее загрязнение атмосферы, % Сера, % Окись углеро- да, %
Автомобили 60 5 90
Промышленность 15 30 3
Электростанции и отопление 22 60 5
Мусоросжигание 3 5 2
Большую тревогу вызывает сильное загрязнение атмосферы вы-
хлопными газами автомобилей (на их долю приходится 90% от
общего количества выбрасываемой в атмосферу окиси углерода,
которая образуется при неполном сжигании углеродистых ве-
ществ) .
85
Вредное действие окиси углерода на человека и животных со-
стоит в том, что она, соединяясь с гемоглобином крови, очень
быстро лишает организм кислорода. В материалах конференции
ООН по проблемам окружающей человека среды, состоявшейся
в Стокгольме в 1972 г., общий выброс в атмосферу окиси углерода
в мире оценивается огромной цифрой в 2,5- 10й кг/год.
Некоторые соединения углеводородов, выбрасываемые автомо-
билями, обладают канцерогенными свойствами.
В крупных городах насчитываются миллионы автомашин, вы-
брасывающих в атмосферу огромные количества вредных веществ.
Например, в Лос-Анджелесе более 3 млн. автомобилей ежегодно
засоряют воздух более чем 9 тыс. т угарного газа, 450 т окиси серы,
190 т окиси азота и многими другими вредными веществами. Город,
некогда славившийся прозрачным и чистым воздухом, теперь пе-
чально знаменит своими ядовитыми туманами.
Сейчас в мире эксплуатируется более 200 млн. автомобилей, на
долю которых приходится значительная часть грузооборота и более
половины пассажирских перевозок. Ожидается большое увеличение
числа автомобилей и в будущем. В связи с этим одна из насущных
проблем современности состоит в совершенствовании автомобилей,
направленном на уменьшение загрязнения ими окружающей среды.
Весьма перспективно в этом отношении создание электромобилей
с хорошими техническими и экономическими показателями.
В связи с указанными задачами ведутся поиски новых видов
топлива или видоизменяются известные топлива. В этом отношении
интерес представляет метанол, который, возможно, получит
большее применение.
Метанол — это метиловый спирт, получаемый из природного
газа, а также из каменного угля и извести. Он значительно дешев-
ле бензина. Для ряда стран, которые импортируют огромное коли-
чество нефти и нефтепродуктов, проблема дешевого автомобильно-
го горючего исключительно велика. К тому же один из видов сырья,
необходимого для производства метанола, — каменный уголь —
имеется в достаточном количестве. Еще одно немаловажное преи-
мущество метанола заключается в том, что отработанные его газы
значительно меньше загрязняют воздух, чем бензиновые.
Приспособить существующие автомобили для работы на новом
топливе не представляет большого труда. Например, перестройка
только одного мотора для машины типа «Фольксваген» обходится
в 25 марок *.
Есть сообщения, что в США усиленно работают над методом
получения жидкого топлива из угля с высоким содержанием серы,
запасы которого велики во многих странах мира. Однако исполь-
зование его осложнено (например, в результате сильного загрязне-
ния атмосферы при его сжигании). Жидкое топливо получается
следующим образом. Уголь размалывается в порошок, обрабаты-
вается растворителем, и в полученную смесь добавляется водород.
•Тосунян С. Метанол вместо бензина. «Известия^, 1975, апрель.
86
В результата протекающего при этом процесса из 1 т уМя пблу-
чается около 650 л похожей на нефть жидкости, из которой можно
вырабатывать бензин и другое жидкое топливо. Работы этого на-
правления очень важны, поскольку выбрасывание вредных веществ
в атмосферу особенно при неблагоприятных атмосферных условиях
приводит к появлению ядовитых туманов, так называемых «смо-
гов». В некоторых городах смоги резко повышали смертность от
болезней дыхательных путей и сердечно-сосудистой системы. Так,
в Лондоне в 1952 г. смог в условиях сильного загрязнения воздуха
сернистыми соединениями унес около 4000 человеческих жизней.
Этот Лондонский туман сравнивают с эпидемией холеры в 1849 г.,
когда из миллиона человек ежедневно умирало 570, от тумана
же—440. Сильные туманы, содержащие примеси вредных веществ
и сопровождаемые человеческими жертвами, повторялись в Лондо-
не и других городах — Нью-Йорке, Лос-Анджелесе, Чикаго,
Токио *.
Особое место среди прочих загрязнителей занимают продукты
искусственного радиоактивного распада. Действие радиоактивного
излучения представляет исключительную опасность для нормаль-
ного развития флоры и фауны и угрожает жизни человека. Силь-
ные заражения окружающей среды происходят при ядерных взры-
вах. После ядерного взрыва в атмосфере, произведенного в КНР
7 января 1972 г., комиссия по атомной энергии США сообщила, что
в 16 штатах этой страны были обнаружены радиоактивные осадки.
Человек в результате своей деятельности в различных областях
всегда менял, меняет и будет менять окружающую среду. Однако
эти изменения в современном мире достигают столь больших мас-
штабов, что некоторые отрицательные воздействия на биосферу
могут вызвать условия, опасные для жизни самого человека. Поэ-
тому неизбежное воздействие на природу, которое не может быть
приостановлено, должно идти по правильному пути, т. е. должно
регулироваться в соответствии с законами природы и условиями
гармонического развития человеческого общества. Несомненно,
могут быть найдены рациональные решения этой проблемы. Так,
например, живой организм может существовать в среде, наполнен-
ной вредными химическими веществами, при чрезмерном шуме,
т. е. в среде эмоционально возбуждающей, однако при этом он не
* В газетах США указывалось, что уже сейчас над Нью-Йорком висят
тонны яда. В течение одного года на Нью-Йорк выпало 1 393 459 т окиси угле-
рода, 542 598 т двуокиси серы, 514 382 т углеводорода, 270 346 т окиси азота
и 208 646 т пыли и сажи. Печать ФРГ жаловалась: «Воздух становится дыха-
нием чумы, а вода — клоакой». Смог, насыщенный парами серной кислоты или
ядовитыми газами, стал столь повседневным явлением в больших городах Запад-
ной Германии, что, например, в Эссене на 8 ч ежедневно запрещается всякое
автомобильное движение.
В работах, посвященных нарушениям экологии, отмечалось, что в 1960 г.
в Льеже (Бельгия) от ядовитого «промышленного» смога погибло за один день
60 человек, в Питтсбурге (США) в 1938 г. — 20 человек, в Лондоне за одну не-
делю 1952 г. — 4000 человек. От такого же смога разрушаются исторические
памятники — Кельнский собор, Собор св. Марка, Нотр-Дам, Карлов-Мост и др.
87
Может полноценно функционировать, не используя защитные при-
способления. Человеку свойственна биологическая стабильность и
неверно представление о том, что он может без ущерба для своей
эволюции приспособиться к изменяющимся неблагоприятным усло-
виям среды, вызванным техническим прогрессом. Эти приспособ-
ленческие реакции приводят к побочным явлениям, которые в ко-
нечном счете оказываются вредными.
Часто думают, что прогресс в цивилизации зависит от способ-
ности человека «покорять природу». В действительности его суще-
ствование связано с удовлетворением биологических и эмоциональ-
ных потребностей, которое происходит не в процессе покорения
природы, а в гармоническом содружестве с ее силами. Человек дол-
жен стремиться к такому воздействию на окружающую среду и
такому ее изменению, чтобы она способствовала его физическому
и духовному развитию и прогрессу цивилизации. Нельзя следовать
фаустовской концепции о безграничном могуществе человека и
о его постоянном стремлении господствовать над внешним миром.
Человек зависит от окружающей среды и формируется ею, поэтому
он должен находиться во взаимодействии с окружающей средой,
которая для него безусловно должна быть не храмом, а мастер-
ской *, но в этой мастерской он обязан поддерживать порядок. Еще
раз нужно вспомнить слова Энгельса о том, что человек должен
общаться с природой не как завоеватель, навязывающий природе
свои законы, а как ее друг, познающий ее законы и дей-
ствующий в своей созидательной деятельности в соответствии
с ними.
Можно и нужно проводить рациональное планирование окру-
жающей среды и управление ее развитием. Такое планирование
будет благоприятствовать наиболее полному и гармоничному соче-
танию прогресса и допускать те изменения в природе, которые наи-
более соответствуют физической и духовной эволюции человека.
Разумеется, при этом должна соблюдаться большая осторожность.
В капиталистических странах меры по охране окружающей че-
ловека среды часто носят рефлексирующий характер и принима-
ются после какой-нибудь катастрофы, в атмосфере всеобщей пани-
ки. Такие разрозненные меры направлены большей частью на
устранение симптомов болезни, а не на устранение самой болезни.
В настоящее время пока не удается создать систему единых межна-
циональных действий по осуществлению планомерных (с учетом
большого комплекса взаимосвязанных проблем) мер по охране
* Заметим, что, несмотря на всю серьезность положения с загрязнением
биосферы и необходимость принятия срочных мер международного характера
по защите биосферы (что и делает правительство Советского Союза), не следует
принимать и мистический запугивающий тон, как это часто делает западная
Печать. Кстати, когда в Англии был пущен первый паровоз Стефенсона, то меди-
цинское общество Англии утверждало: локомотив настолько отравит воздух
Своим дымом, что птицы будут падать замертво на лету, а пассажиры неминуемо
будут отравлены газом, когда поезд пойдет через туннель.
88
окружающей среды. Это объясняется существованием неблагопри-
ятных сложных факторов самого различного характера: социаль-
ных, экономических, психологических и т. д.
По мнению ряда участников Межправительственной конферен-
ции по рациональному использованию и охране ресурсов биосферы,
состоявшейся в Париже в 1970 г., осуществлению организованных
мероприятий, направленных на улучшение охраны среды, в значи-
тельной мере будут способствовать лучшие знания о конечном
влиянии неблагоприятных изменений в окружающей среде на физи-
ческое и умственное здоровье человека. Это, в свою очередь, потре-
бует развития науки о жизни человека, подвергающегося воздейст-
вию окружающей среды.
Численность населения на земном шаре быстро возрастает и
в этих условиях становится недопустимой стихийная эксплуатация
природных ресурсов Земли. Повсеместно должно осуществляться
разумное их использование.
Создание космических аппаратов и полеты на другие планеты,
длительное пребывание в лабораториях под водой не изменят того
факта, что существование человека определено узкоограниченными
физическими и химическими условиями. Человек появился на Зем-
ле, развился на ней под влиянием окружающей среды и в далеком
историческом будущем будет неразрывно с нею связан.
В условиях ограниченности Земли и ее ресурсов экономика
в различных областях в будущем должна будет основываться на
экологических факторах, под которыми понимаются факторы внеш-
ней среды, оказывающие влияние на растения и животных. Впер-
вые понятие экологии было введено в науку более ста лет назад
Геккелем. Именно тогда, т. е. исторически сравнительно недавно,
человек осознал, что и он сам, и все компоненты в природе взаи-
мосвязаны между собой.
В процессе эволюции у человека формировалось такое сознание,
что окружающая его природа не имеет границ. Складывающийся
исторический опыт не учитывал опасных последствий в изменениях
экологических условий, вызванных ограниченностью нашей пла-
неты.
Человек находится в состоянии динамического равновесия
с окружающей его экологической средой. Постоянно вносимые им
изменения в окружающую среду изменяют формы жизни всех орга-
низмов, в том числе и самого человека, т. е. искусственные измене-
ния в окружающей среде и биосфере в целом не могут быть бескон-
трольными. В животном мире равновесие определяется стихийными
силами. Человек способен обеспечить равновесие в результате
предварительных рациональных суждений.
Решение большинства проблем, направленных на достижение
положительного результата в одних областях, как правило, приво-
дит к отрицательным последствиям в других. Создание двигателя
внутреннего сгорания существенно расширило возможности чело-
века и явилось большим стимулом в развитии прогресса, но это
привело к загрязнению атмосферы.
По мере увеличения использования природных ресурсов в силу
естественных законов увеличиваются и отходы. Проблема отходов
требует эффективного решения, и вполне оправдана такая поста-
новка вопроса: количество отходов должно определять использова-
ние ресурсов. Наиболее удачным решением проблемы отходов яви-
лось бы придание им формы, в которой они могли бы полезно ис-
пользоваться и благоприятно влиять на окружающую среду.
Под влиянием отрицательных воздействий технического про-
гресса на биосферу и продолжающегося бурного развития этого
прогресса, способного катастрофически изменить условия жизни
на Земле, в западных странах появились пессимистические взгляды
на будущее человечества. Для того чтобы избежать мрачных по-
следствий, якобы ожидающих человечество в будущем, некоторые
буржуазные философы предлагают затормозить развитие цивили-
зации и тем самым уменьшить ее пагубное влияние на окружаю-
щую среду.
Философская позиция отечественных исследователей, исключа-
ющая неоправданный пессимизм, состоит в том, что человек спосо-
бен разумно управлять своей деятельностью и процессами в био-
сфере для обеспечения необходимого экологического равновесия
в природе. Здесь влияние живых организмов, в том числе и чело-
века, всегда было существенным. Сама оболочка биосферы форми-
ровалась при их определяющем воздействии. В соответствии с цен-
тральной идеей учения Вернадского можно утверждать, что хими-
ческое состояние наружной коры нашей планеты и состояние био-
сферы всецело находятся под влиянием жизни, определяются жи-
выми организмами. Высшей организацией жизни на нашей планете
является человеческое общество, и именно его производительная
деятельность имеет огромное планетарное — геохимическое — зна-
чение, воздействующее на геофизические процессы.
§ 2.4. Влияние энергетики на биосферу
Как отмечалось в материалах ряда международных конферен-
ций (например, Стокгольмской конференции ООН по окружающей
человека среде), любая деятельность человека, требующая произ-
водства энергии и ее превращения в форму, пригодную для конеч-
ного использования в жилищах, на предприятиях или в средствах
транспорта, оказывает побочные влияния, которые при достижении
определенного уровня наносят ущерб одному или нескольким
аспектам окружающей среды. Это, конечно, так, но справедливо
также и то, что человек может регулировать уровень побочных
влияний. Такие влияния прежде всего возникают на тепловых элек-
трических станциях, преобразующих энергию различных видов
органического топлива в электрическую. Здесь необходимо найти
пути уменьшения вредных выбросов в атмосферу газов и твердых
частиц и уменьшения теплового загрязнения воды в реках и озерах.
Гидроэлектростанции обычно считались чистыми и безвредными
предприятиями, однако в последнее время они стали подвергаться
90 *
справедливой критике из-за затопления обширных территорий, не-
обходимости переносить населенные пункты. Создание искусствен-
ных водоемов приводит к резкому изменению экологии района, из-
менению давления на сушу и уровней грунтовых вод, что отрица-
тельно сказывается на близрасположенной флоре и фауне. Замед-
ление течения рек из-за сооружения плотин электростанций ведет
к загрязнению воды, появлению вредных сине-зеленых водорослей,
способствует размножению бактерий, несущих эпидемии, наруше-
нию половодий и исчезновению вследствие этого заливных лугов,
в некоторых случаях происходит засоление почвы (например, вбли-
зи Астрахани).
6400т
Уголь
4600м3
Нефть
530000м3
Газ
Атомное
топливо
Двуокись
серы Окись
1,-2
Отходы к 2 кг
дкиеь
зола углерооа
РадиоОктиднУе
элементы, с~1
12
3,7 НО1^
уран *2,5кг
3,7 Н0г
О
?
Рис. 2.5. Загрязнение атмосферы электростанциями различного типа
Объемы загрязнений тепловыми электростанциями окружающей
среды и вид загрязнений зависят от типа и мощности станций. На
рис. 2.5 приведены показатели загрязнений окружающей среды
станциями различного типа мощностью по 1 ГВт каждая. Выбросы
в атмосферу газов и золы даны на рисунке в тоннах в сутки, а ак-
тивность радиоактивных элементов в секундах в минус первой сте-
пени. Станции, работающие на угле, потребляют его в больших
количествах и больше всего выбрасывают загрязняющих атмосфе-
ру веществ. Выбросы в атмосферу зависят от качества угля. При-
веденные на рисунке характеристики соответствуют углю средней
калорийности.
Атомные электростанции, долгое время бывшие объектами тща-
тельных наблюдений, практически не оказывают вредного влияния
на биосферу при условии, что решается проблема безопасного
сохранения радиоактивных отходов. Относящийся к ним знак во-
91
проса на рис. 2.5 расшифровывается в Зависимости От решения
проблемы радиоактивных отходов. Английские атомные станции
сбрасывали радиоактивные отходы в Северное море, что, конечно,
недопустимо и осуждалось мировой общественностью. Иногда ра-
диоактивные отходы в специальных контейнерах опускаются на
дно морей и океанов. В этом случае, однако, не исключается полно-
стью опасность заражения воды. Поэтому выбросы радиоактивных
отходов в моря и океаны вызывают резкие протесты со стороны
стран, расположенных на побережье.
В порядке курьеза можно вспомнить, что в прошлом, когда
появились первые ядерные реакторы, некоторые специалисты
в США предлагали сбрасывать радиоактивные отходы на дно Чер-
ного моря. Выбор пал на Черное море, поскольку в нем наиболее
медленно происходит циркуляция воды между верхними и нижними
слоями. Нижние слои достигают поверхности примерно за 100 лет.
Совершенно ясно, что такое предложение не могло считаться удов-
летворительным и было категорически отклонено. В действительно-
сти достаточно безопасно можно хранить радиоактивные отходы
под землей в жидком состоянии в специальных резервуарах или
предварительно зацементированными. При цементировании дости-
гаются две цели: улучшается защита отходов и уменьшается их
объем.
Перспективно так называемое «отвердение» жидких радиоак-
тивных отходов путем их нагрева и выпаривания. При существую-
щей технологии 1000 л жидких отходов с высоким уровнем радио-
активности можно переработать в менее чем 0,01 м3 твердых отхо-
дов. Твердые отходы помещаются в герметические металлические
контейнеры. Такие контейнеры удобно хранить в соляных шахтах
глубоко под землей, так как в мощные соляные пласты не прони-
кают грунтовые воды и вследствие их пластичности уменьшается
опасность появления трещин и разрывов во время землетрясений.
Доля электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростан-
циях, с течением времени будет возрастать по мере увеличения их
единичных мощностей. Зависимости удельных расходов на выра-
Рис. 2.6. Экономические показатели работы
АЭС и ТЭС
ботку 1 кВт-ч электро-
энергии (з) от мощности
(Р) тепловых и атомных
станций приведены на
рис. 2.6.
Начиная примерно с
1000 МВт, а по послед-,
ним данным даже с мень-
ших мощностей, оказы-
вается экономически вы-
годнее строить и эксплуа-
тировать именно атомные
электростанции, а не теп-
ловые. Развитие всех
электрических станций
92 }
1эао igta iszo is so ma is so mo is то
Рис. 2.7. Изменение во времени характе-
ристик энергоустановок
При достаточно
мощностях они
значительно
йДет По пути увеличений
мощностей единичных агре-
гатов, и поэтому в относи-
тельно недалекой перспек-
тиве следует ожидать широ-
кого применения атомных
станций. "
больших
экономически
более выгодны. Увеличение
мощностей агрегатов стан-
ций, непрерывное совершен-
ствование конструкций при-
, водят к относительному
уменьшению необходимых
площадей s и объемов и,
приходящихся на <1 кВт установленной мощности (рис. 2.7). Резкое
уменьшение объемов, требуемых для энергоустановок в 70-е годы
(штриховая линия), происходит за счет использования закрытых
конструкций, заполненных электроизолирующим газом, в которые
помещают электрооборудование и в которых может быть сущест-
венно уменьшено расстояние между токоведущими частями.
Более крупные станции обладают лучшими техническими харак-
теристиками, они в большей степени поддаются автоматизации и
механизации процессов, что позволяет существенно повышать мощ-
ности Р, приходящиеся на одного человека обслуживающего персо-
нала. Все это, в конечном счете, облегчает решение проблемы со-
кращения расходования обжитой территории.
В настоящее время уменьшение вредного влияния различных
технических устройств, в том числе и энергетических, приобрело
решающее значение при установлении их характеристик. Большие
возможности уменьшения вредного влияния энергетики на био-
сферу безусловно заключаются в использовании электростанций,
работающих на ядерном горючем. Этот путь уже сейчас весьма
эффективен и будет еще более эффективен, когда в отдаленном
будущем появится возможность использовать для целей энергетики
управляемую реакцию термоядерного синтеза.
Уже сейчас к атомным электростанциям предъявляют весьма
высокие требования в отношении надежности, так как аварийные
нарушения в их работе могут сопровождаться интенсивным зара-
жением окружающей местности. Так, при аварии на одной из анг-
лийских атомных станций произошло заражение травы и близрас-
положенной местности, из-за чего молоко в течение нескольких
месяцев было непригодно к употреблению.
В отношении безопасности работы атомных станций имеются
весьма пессимистические высказывания ряда зарубежных ученых.
Американский ученый Брэнд Барнаби считает, что развитие ядер-
ной энергии создает потенциальную угрозу для жизни всего чело-
вечества, так как каждая атомная станция производит радиоак-
93
Тйвиый стронций в таком колййествё, которого достаточно, чтобы
все человечество получило дозу облучения, превышающую мак-
симально допустимый уровень. Один инцидент на атомной
станции равносилен бесчисленному множеству природных ка-
тастроф.
Под давлением со стороны общественных кругов США в некото-
рых штатах создаются затруднения в выделении площадей под
атомные станции — их намечают сооружать на баржах в океане.
Советские специалисты считают, что атомные электростанции
при надлежащей их конструкции безопасны и не загрязняют окру-
жающую среду. В нашей стране не разрешается выбрасывать ра-
диоактивные отходы в атмосферу, моря и океаны. Радиоактивные
отходы проходят обработку в очистительных сооружениях, где уро-
вень радиации снижается до допустимых санитарными нормами
величин, а затем подвергаются цементированию и укладыванию
в специальные железобетонные сооружения.
Атомная энергетика в нашей стране развивается большими тем-
пами, причем одновременно создаются эффективные средства защи-
ты и повышается надежность станций. Атомные станции сооружа-
ются в Советском Союзе во многих местах, в том числе и вблизи
таких крупных городов, как Ленинград, Ереван и др. Существую-
щая надежность их работы такова, что практически исключается
опасность для жизни и здоровья людей.
Загрязнения окружающей среды почти не происходит при выра-
ботке электроэнергии на станциях, использующих геотермическую
энергию, энергию солнечной радиации, а также энергию ветра и
приливов.
Таким образом, среди всех видов электрических станций тепло-
вые станции, работающие на органическом топливе, более всего
загрязняют атмосферу. В ряде стран современная техническая
политика снижения загрязнений, в том числе наибольшего рассеи-
вания выбросов на тепловых станциях, последовала после принятия
специальных законодательных мер в отношении допустимого уров-
ня загрязнения. Проблема газоочистки приобретает особую акту-
альность и на ее решение расходуются значительные средства.
Например, общие затраты за последние 5—6 лет в США на иссле-
довательские работы по очистке дымовых газов составили 100 млн.
долл. В настоящее время трудно точно оценить затраты на очисти-
тельные сооружения. По предварительным прогнозам, при исполь-
зовании современных технологических систем газоочистки они
составят 30—70 долл/кВт. Так, например, для энергетического
блока мощностью 550 МВт на ТЭС «Widow's Сгееск» стоимостью
65 млн. долл, запроектирована газоочистительная установка стои-
мостью 35 млн. долл. Иными словами, расходы по уменьшению вы-
бросов вредных веществ в атмосферу составляют более 50% от
стоимости энергоблока.
Современные газоочистительные установки позволяют в значи-
тельной мере ограничить выброс вредных веществ в атмосферу
(рис. 2.8).
*
94
В случае, приведенном на рис. 2.8, а, отсутствуют газоочисти-
тельные сооружения и применяется низкокачественное топливо. Ис-
пользование природного газа для топок, а также установка очисти-
тельных сооружений позволяют добиться больших успехов в оздо-
ровлении окружающей среды (рис. 2.8, б).
Рис. 2.8. Уменьшение загрязнения воздуха с помощью очи-
стительных сооружений:
а и б — до и после включения очистительных сооружений соответ-
ственно
В связи с большими расходами на очистительные сооружения
остро возникает вопрос об источниках финансирования. По мнению
ряда зарубежных специалистов из капиталистических стран, реше-
ние вопроса заключается в повышении цен на первичные энергоре-
сурсы (нефть, уголь, газ).
Уменьшения загрязнения атмосферы намечается достичь также
за счет ограничения в энергопотреблении, которое станет возмож-
ным при увеличении эффективности использования энергии. Так,
предполагается, что улучшение теплоизоляции жилых, производст-
венных и прочих сооружений позволит примерно в два раза сокра-
тить расходы на отопление и кондиционирование воздуха.
Помимо загрязнения атмосферы в ряде стран нормируется теп-
ловое загрязнение электростанциями водоемов, что вызывает не-
обходимость в дополнительных расходах на охлаждение воды.
Сбросы горячей воды в водоемы и повышение вследствие этого
их температуры приводят к нарушению экологического равновесия,
установившегося в естественных условиях, что неблагоприятно
влияет на флору и фауну.
Следует отметить, что в некоторых случаях можно извлечь
пользу от повышения температуры водоемов, например, разводя
в таких водоемах рыбу, приспособленную к повышенной темпера-
туре. В результате введения новых норм на АЭС «Brown Ferry»
(США)" в процессе ее строительства пришлось проектировать и ус-
танавливать дополнительные сооружения по охлаждению воды, на
которые потребовалось 36 млн. долл.
Тепловое загрязнение водоемов может быть уменьшено с пере-
ходом на замкнутые циклы использования воды.
При сооружении гидроэлектростанций необходимо учитывать
весь комплекс проблем, связанных с изменением экологической срс-
ды, затоплением территории, влиянием на самые различные отрас-
ли народного хозяйства.
Передача электрической энергии на расстояние в основном осу-
ществляется по проводам воздушных линий, которые распростра-
няются на многие километры и под которые отводится большая
площадь «отчуждения». Линии электропередач создают электро-
магнитные излучения, вызывающие помехи в работе систем связи.
Иногда высказываются суждения о том, что линии электропере-
дач портят ландшафт местности. Эти суждения в какой-то мере
справедливы, но, возможно, часто они носят временный и сугубо
субъективный характер. Можно вспомнить, что сразу же после
сооружения Эйфелева башня в Париже многими современниками
воспринималась как уродливое строение, в то время как сейчас
она символизирует Париж и воспринимается как одно из лучших
его украшений.
Существующее вблизи проводов высоковольтных линий элект-
ропередач электромагнитное поле неблагоприятно действует на ор-
ганизм человека. Исследования показывают, что в нормальном че-
ловеческом организме величина заряда меняется с периодами
в 6 часов и 27 суток. И на этот процесс окружающее электромаг-
нитное поле оказывает заметное влияние. Существует определенная
связь между магнитными бурями и состояниями больных с сердеч-
но-сосудистыми заболеваниями. Радиоволны с некоторыми часто-
тами оказывают разрушительное влияние на живые клетки. На-
пример, имеются данные о том, что при частоте излучений 27 мГц
гибнет ряд растений и животных. По мнению биологов, жизнь —
это тонкий электрический процесс. Возле электромагнитного поля
могут изменяться электрохимические, а следовательно, и любые
биохимические процессы в клетках. В то же время ни у растений, ни
у животных не удалось обнаружить специальных магниточувстви-
тельных органов. Однако несомненно, что магнитные и электриче-
ские поля оказывают некоторое (не вполне ясное на сегодня) влия-
ние на все живые организмы.
Влияние сильных электромагнитных полей (изменяющихся
с промышленной частотой 50 Гц) на человека к настоящему вре-
мени пока мало изучено. Проведенные в нашей стране и за рубе-
жом исследования показали, что сильное электромагнитное поле
вызывает функциональное нарушение сердечно-сосудистой системы
и нарушения невралгического характера. Вредные воздействия на
человека сильных полей были замечены при вводе в эксплуатацию
высоковольтных подстанций напряжением 400—750 кВ. Повторяю-
щееся электромагнитное облучение человека приводит к накапли-
вающимся (кумулятивным) эффектам, пока еще также не вполне
изученным. Однако уже очевидно, что вредные последствия пребы-
вания человека в сильном электромагнитном поле зависят от на-
пряженности Е поля и от продолжительности его воздействия Т.
Чем больше напряженность поля, тем меньшая продолжительность
пребывания в пом человека допускается (рис. 2.9). При 20 кВ/м
воздействие поля проявляется немедленно в виде неприятных ощу-
96
*
щений и последующих
расстройств функций ор-
ганизма. При 5 кВ/м не-
приятных проявлений не
наблюдается. Величина
напряженности поля
уменьшается с увеличе-
нием расстояния от ис-
точников излучения по-
ля — проводов. Весьма
важно установление до-
пустимых безопасных
расстояний от линий
электропередач высокого
напряжения до жилых по-
Рис. 2.9. Воздействие электромагнитного поля
на живые организмы
строек.
При больших величинах напряженности электрического поля
необходимо применять специальные защитные мероприятия, напри-
мер использовать защитные экранирующие костюмы, сетки, умень-
шающие эффект поля, и т. д.
• Чтобы уменьшить расходы земли под полосы «отчуждения», ис-
пользуют кабельные линии при вводах электропередач в крупные
города. В энергетике перспективно применение сверхпроводящих
и криогенных линий электропередачи. Сопротивление проводов та-
ких линий близко к нулю, что позволяет использовать низкое на-
пряжение и решить проблему изоляции проводников.
Громоздкие открытые распределительные устройства, занимаю-
щие большие территории в городах, в будущем могут сооружаться
закрытыми, наполненными изолирующим газом и расположенны-
ми под землей.
Размещение электростанций по территории страны должно осу-
ществляться с учетом загрязнения ими окружающей среды. Очевид-
но, что станции, работающие на низкосортном топливе и наиболее
интенсивно загрязняющие атмосферу, должны проектироваться
вдали от крупных населенных пунктов. В некоторых странах элект-
ростанции строятся в морях и океанах для устранения их вредного
влияния на окружающую среду и в конечном счете на человека.
В Японии и США уже выполнены проекты сооружения ТЭС и АЭС
в море в 5—30 км от берега. Разработаны различные проекты вы-
полнения этих станций: плавучими, на опорных конструкциях и по-
груженными в воду в специальных сферических помещениях.
Защита биосферы от загрязнений рассматривается в нашей
стране как государственная задача, для решения которой приняты
законодательные акты. В 1949 г. Совет Министров СССР принял
постановление «О мерах борьбы с загрязнением атмосферного воз-
духа и улучшения санитарно-гигиенических условий населенных
мест». Вопросы загрязнения окружающей среды нашли отражение
и в принятых в декабре 1969 г. Верховным Советом СССР «Осно-
вах законодательства Союза ССР и союзных республик о здраво-
4 Зак. 1540
97
охранении». Рациональному использованию природных ресурсов и
охране природы уделено внимание на XXIV и XXV съездах КПСС.
Эта проблема учтена в Программе КПСС. В 1972 г. по докладу
В. А. Кирилина Верховный Совет СССР принял специальное поста-
новление, касающееся мер дальнейшего улучшения охраны приро-
ды. В июле 1975 г. третья Сессия Верховного Совета СССР 9-го
созыва приняла постановление о мерах по дальнейшему усилению
охраны недр и улучшению использования полезных ископаемых.
Таким образом, уже сейчас делается очень много для решения про-
блемы уменьшения загрязнения среды. В будущем, конечно, будут
проводиться еще более радикальные решения, к которым надо от-
нести создание замкнутых технологических схем, почти полностью
использующих отходы и то, что сейчас называется «мусором» *, но
что более правильно определить как «вещество, находящееся не на
своем месте», вещество, которое должно быть использовано**. Боль-
Рис. 2.10. Схема установки для переработки мусора в топливо
* Во всем мире с развитием материального производства вопрос — что
делать с мусором? — начинает занимать одно из первых мест в ряду других
вопросов экологии. Достаточно сказать, что в США, например, ежегодно непро-
мышленные отходы складываются из 48 млрд, металлических консервных банок,
26 млрд, бутылок, 65 млрд, металлических крышек, 6 млн. вышедших из строя
автомобилей. Количество хлама повсеместно угрожающе растет. А ведь отходы
надо не только собрать и вывезти, но и переработать, уничтожить, а главное —
обезвредить.
** Использованию мусора в ближайшее время должно быть уделено много
внимания. Уже сейчас имеются сообщения о том, что в Японии разработана
установка для переработки городского мусора. Мусор загружается в нее во
влажном виде, «выпаривается», измельчается и превращается в смесь газов
(рис. 2.10). Газы разделяются и конденсируются в высоко- и низкокалорийное
топлива; одновременно из смеси газов получается пар, пригодный для выработки
электроэнергии. Установка рассчитана на ежедневную переработку 1 тыс. т му-
сора. Из каждой тонны мусора получается примерно 400 кг жидкого топлива,
равноценного керосину.
98
шое значение имеет прогноз загрязнений, основанный на надежном
прогнозе погоды. При одном и том же количестве вредных вы-
бросов в атмосферу степень загрязнения оказывается различной
при различных метеорологических условиях и может регулировать-
ся. Наиболее опасные загрязнения воздуха возможны при слабом
ветре.
Современная цивилизация сталкивается с проблемой переработ-
ки огромных потоков отходов, количество которых с каждым годом
возрастает в угрожающих масштабах. Отходы в виде свалок из
груд ржавеющего металла, бумаги, дерева, картона, пластмасс ста-
новятся неизменными спутниками пригородных ландшафтов. По-
мимо твердых отходов увеличиваются выбросы в реки и водоемы
жидких отходов. По предварительным подсчетам, в США общий
объем жидких отходов к 2000 г. будет примерно равен объему всех
рек в континентальной части страны. Только одним жителем стра-
ны в течение суток выбрасывается в канализационную систему
в среднем около 500 л жидких отходов.
По подсчетам, опубликованным в США в 1971 г., в 100 крупней-
ших городах этой страны образовался 71 млн. т органических твер-
дых отходов. Из этого количества можно было бы получить
19,6 млрд, м3 метана, пригодного для самых различных энергети-
ческих целей.
Из органических твердых отходов, содержащих метан, газы
можно получать тремя способами: путем анаэробного разложения,
гидрогазификации и пиролитической конверсии.
Есть предложения построить завод, который будет вырабаты-
вать из 0,5 т городского мусора 1500 кубических футов метана
(1 кубический фут равен 0,028 м3) в день. Стоимость производства
метана на таком заводе составит около 1 долл, за миллион британ-
ских единиц тепла (1 Btu = 1,055 кДж).
Мусор сначала должен измельчаться для получения однород-
ных по размерам частиц, а после извлечения черных металлов с по-
мощью мощных магнитов разделяться в воздушном «классифика-
торе». Образовавшийся газ будет содержать 50—60% метана и
двуокись углерода и может использоваться в качестве топлива
с низкой теплотворной способностью. Чтобы повысить теплотвор-
ную способность, из него можно удалить двуокись углерода.
Шлам (лигнин, пластмассы, непереработанная целлюлоза) после
фильтрования будет превращаться в брикеты, занимающие в два
раза меньший объем, чем исходные материалы до загрузки в авто-
клав. Эти брикеты можно использовать как топливо на промыш-
ленных предприятиях.
Проводятся эксперименты по получению метана из мусора или
навоза путем гидрогазификации. Гидрогазификация предусматри-
вает реагирование содержащих углерод веществ с водородом
с образованием газа, состоящего в основном из метана. Реакция
..проходит с выделением тепла, что позволяет превращать городской
мусор, содержащий большое количество влаги, в газ без дополни-
тельного нагрева.
4*
99
Как показали эксперименты, рассмотренным путем из обычного
городского мусора можно получать газ, содержащий 70% метана,
а также этан и водород. При переработке навоза получается газ
с 93%-ным содержанием метана. Стоимость производства такого
газа составляет менее 1 долл, за миллион британских единиц тепла.
Одна из американских фирм использует бактериальные топлив-
ные элементы для получения из органических отбросов электро-
энергии и метана. Электрический ток ионизирует воду, разлагая ее
на кислород и водород. Водород, органические отбросы и метан
направляются в пиролитический конвертор для производства «сы-
рой нефти», горючего газа с теплотворной способностью 500 британ-
ских единиц тепла на кубический фут, древесного угля и дегтя.
Результаты лабораторных испытаний показывают, что есть воз-
можность получить из 1 т мусора 10—15 тыс. кубических футов га-
за, содержащего 50% метана.
Во многих городах США созданы или создаются установки для
переработки отходов в сырье или энергию. Так, в Балтиморе по-
строена установка для пиролиза тысяч тонн мусора в день с целью
выработки тепла, которое будет использоваться в теплофикацион-
ной сети. В Чикаго к концу 1976 г. закончилось строительство ус-
тановки для переработки в топливо 1 тыс. т мусора в день. После
пуска этой установки город экономит на топливе 2 млн. долл в год.
Около 300 американских городов с населением более 10 тыс. че-
ловек в течение ближайших 5 лет намерены осуществить проекты
утилизации мусора. Теплотворная способность мусора составляет
13,4 МДж на 9,8 Н. Всего по стране в мусоре содержится количест-
во энергии, равное 1,5% общего потребления энергии в США.
Природные возможности естественной переработки и вторичного
использования отходов весьма ограничены. Поэтому перед челове-
ком возникает настоятельная необходимость в эффективной пере-
работке и вторичном использовании отходов, которая явилась
как бы развитием естественных свойств природы. Решение этой
проблемы возможно будет лишь в том случае, если удастся полу-
чить очень дешевый источник энергии практически неограниченной
мощности. Наиболее реальна перспектива переработки отходов
в термоядерной «горелке». Если в поток плазмы с температурой
порядка 100000° С, создаваемой в термоядерном реакторе, помес-
тить обычное вещество, то в нем произойдет разрушение всех мо-
лекулярных связей и частичная ионизация. Перерабатывая отходы
в термоядерной горелке, можно будет получать сверхчистые метал-
лы, неметаллические вещества, газы и т. д. Реализация таких про-
ектов, однако, — дело отдаленного будущего. Тем не менее уже
сегодня в этом направлении ведутся научные исследования.
Глава 3
СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
§ 3.1. Законы сохранения материи и энергии.
Их значение при рассмотрении способов получения электроэнергии
Закон сохранения материи. Современная наука и техника ос-
новываются на законе сохранения материи. Трудно назвать эпоху,
в которую этот закон был открыт. Первые представления о сохра-
нении материи складывались задолго до нашей эры в древней ин-
дийской философии, откуда они, видимо, проникли в Древнюю
Грецию. Еще за 450 лет до н. э. древнегреческий философ Эмпе-
докл утверждал, что ничто не возникает из ничего и ничто не мо-
жет быть уничтожено. Идея о сохраняемости вещества была разви-
та в Древней Греции в связи с учением об атомном строении ма-
терии.
Многие выдающиеся ученые, мыслители древности и более позд-
него времени — средневековья и эпохи возрождения — в различ-
ной форме высказывали идеи о сохранении материи. Были даже
попытки опытным путем доказать справедливость закона сохране-
ния материи. На историю открытия закона сохранения материи
важное влияние оказало изменение представлений о строении ма-
терии. К началу XVIII в. достаточно ясно высказывались представ-
ления о сохранении материи, основанные на предположении о не-
разрушимости и неизменяемости атомов. Однако, как справедливо
считает гениальный английский физик Э. Резерфорд, авторами са-
мого важного открытия XVIII столетия — открытия закона сохра-
нения материи — следует считать М. В. Ломоносова и А. Л. Лаву-
азье.
Если проследить многовековую историю величайших открытий,
сделанных человечеством, то станет ясным, что истина никогда не
познавалась сразу. Шаг за шагом ученые приближались к откры-
тию законов, и у каждого всегда были предшественники, которые
шли'по тому же направлению и в конечном счете приходили к тем
же результатам. Право считаться создателем области науки или
автором законов справедливо принадлежит тем, кто шире и глубже
разработал план исследования, привел большее число фактических
данных для его обоснования. В отношении закона сохранения ма-
терии это право несомненно принадлежит М. В. Ломоносову и
А. Л. Лавуазье.
101
При выводе закона сохранения массы * Ломоносов исходил из представлений
об атомах и молекулах, из которых состоят различные тела. Рассматривая атомы
как наименьшие частички простых веществ, Ломоносов пришел к выводу, что при
любых физических и химических превращениях масса вещества не изменяется,
так как происходит только перераспределение, т. е. только перемена мест не из-
меняемых по массе атомов, а общее число атомов остается прежним. Например,
если до соединения было 2п молекул водорода Н2 и п молекул кислорода О2,
масса которых
М1 = 2п (Н%) ~^~п (О2),
то после соединения получаются 2п молекул воды Н2О, масса которых
М2 = 2п(Н2О).
Ломоносов не только теоретически показал существование закона сохранения
массы, но и экспериментально провел блестящие доказательства его, взвешивая
запаянные трубки с металлами и воздухом до окисления и после окисления ме-
таллов. Веса трубок при этом получались одинаковыми.
К сожалению, гениальные открытия великого русского химика не были оце-
нены не только его современниками, но и ближайшими потомками. Даже
Д. И. Менделеев в своей замечательной книге «Основы химии» не называет Ло-
моносова в числе открывших закон сохранения массы и целиком приписывает
эту заслугу Лавуазье. Лавуазье провел ряд опытов, оправдывающих закон со-
хранения массы, однако он не занимался теоретическим объяснением закона.
Экспериментальное подтверждение закона сохранения массы обладает тем
большей доказательной силой, чем больший прогресс достигнут в области повы-
шения точности определения масс.
В начале XX в. была получена чрезвычайно высокая точность взвешивания.
Некоторые данные о точности определения масс в различные эпохи приведены
в табл. 3.1. За сравнительно небольшой промежуток времени в этой области
произошли огромные положительные сдвиги.
Достижения Рамзея и Грея — не предел точности взвешивания, которая и
в дальнейшем будет повышаться. Это повышение необходимо для определения
пределов приложимости Закона сохранения масс. Существенное обобщение закона
дано А. Эйнштейном.
J
Таблица 3.1
Исследователи Точность опреде- ления масс, мг
Стасс (1850) Ландольт (1907) Рамзей и Грей (1910) Около 1,0 0,03 0,000002
Закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии, открытый
в середине XIX в., относится к числу величайших открытий. О зна-
чении законов сохранения массы и энергии физик Планк во введе-
нии к своей книге «Принцип сохранения энергии» пишет, что име-
ются два закона, которые служат фундаментом для современного
здания точных естественных наук: принцип сохранения материи и
принцип сохранения энергии.
* Масса в соответствии с современными представлениями зависит от скоро-
сти. Существует также универсальная связь между массой и энергией, устанав-
ливаемая теорией относительности.
102
Открытие закона сохранения энергии не связано с определен-
ной датой или работой какого-то одного ученого. Попытки устано-
вить зачатки закона сохранения энергии наталкивают на решение
практической задачи получения работы без затраты энергии. Не-
удачи в этих попытках различные исследователи не хотели рас-
сматривать как принципиальные затруднения и относили их за счет
технического несовершенства конструкций двигателей. Несмотря
на то что уже к концу XVII в. человечество пришло к убеждению
в невозможности создания вечного двигателя, до сего времени на-
ходятся изобретатели (не знакомые с естествознанием), уверенные
в его осуществимости.
Парижская Академия в 1775 г. раз и навсегда отказалась при-
нимать и рассматривать изобретения, связанные с устройством веч-
ного двигателя.
Положения, близкие к закону сохранения энергии, были выска-
заны в связи с работами в области статики тел. Законы статики
формулировались исходя из принципа невозможности создания веч-
ного двигателя, осуществляющего постоянно и непрерывно работу
из ничего.
И. Вернули в 1717 г.' открыл принцип возможных перемещений, развитый
впоследствии в трудах Лагранжа и положенный им в основу всей статики. Этот
принцип гласит: если твердое тело или система материальных точек находятся
в равновесии, то возможные для данной системы перемещения таковы, что сумма
произведений перемещений, совершенных точками приложения сил на величины
слагающих сил, взятых по направлению перемещений, равна нулю. В векторной
форме принцип возможных (виртуальных) перемещений может быть записан
в виде
п
2 Нб7; = 0,
/ = 1
где Fi — сила, приложенная в точке ц бг, — бесконечно малое возможное пере-
мещение. _
Если составляющие вектора Ft обозначить через Fxt, F,ti, Fti, а вектора
Sr, — через 8Х{, 8yt, 8zt, то принцип возможных перемещений может быть запи-
сан иначе:
п
2 (fxi6xi + F!/i6(/i+^i6Zi) = 0.
i = !
Поскольку произведение проекции силы на аналогич-
ную проекцию перемещения определяет работу, то прин-
цип возможных перемещений утверждает: если система
находится в равновесии, то сумма возможных для данной
системы работ, зависящих от механических условий, равна
нулю. Принцип возможных перемещений можно рассмат-
ривать как закон сохранения энергии для тел, находящих-
ся в бяпновесии.
Рассмотрим случай, когда тело приходит в
д и п ж е н н с. Пусть тело массой m поднято на высоту Н
(рис. 3.1). Его потенциальная энергия при этом
EnH=mgH.
При свободном падении тела, как известно из курса
физики средней школы, его потенциальная энергия Еп бу-
Рис. 3.1. К выводу
закона сохранения
энергии для дви-
жущихся тел
103
дет уменьшаться, а кинетическая Ек возрастать, так что их сумма будет оставать-
ся неизменной:
= ^пЛ"Ь^кЛ-
Приведенное уравнение выражает закон сохранения энергии для паде-
ния тел.
В общем случае можно получить выражения, связывающие потенциальную и
кинетическую энергию для любой механической системы.
Связь между механическими и термическими
явлениями впервые изучалась Румфордом, который наблюдал
нагревание ствола пушки при высверливании в ней канала. Изме-
ряя затрачиваемую на сверление работу А и количество выделяю-
щегося тепла Q, Румфорд установил, что их отношение посто-
янно:
<4/Q = /=const.
Закон сохранения энергии был сформулирован на ос-
нове работ Майера, Кольдинга, Джоуля и Гельмгольца. Каждый
из этих исследователей внес свою долю в открытие закона.
Майер занимался установлением эквивалентности между теплом и работой.
В поздних исследованиях он поставил общую проблему о взаимном превращении
всех видов энергии и распространил свои выводы на живую природу.
Почти одновременно с Майером в 1843 г. Джоуль доложил философскому
обществу в г. Манчестере свои соображения о связи тепловых и химических дей-
ствий электрического тока. В последующих работах Джоуль показал, что тепло-
вое действие электрического тока эквивалентно его химическому действию, и при-
шел к общему выводу, что в природе невозможно уничтожение работы.
Джоуль и Кольдинг провели экспериментальные исследования по определе-
нию механического эквивалента тепла.
На заседании Берлинского физического общества 23 июля 1847 г. молодой
врач Г. Гельмгольц прочитал доклад о принципе сохранения силы, понимая под
ней энергию. Гельмгольц дал общую картину превращаемости различных видов
энергии друг в друга и описал эти превращения. Последовательно идя от про-
стого к сложному, Гельмгольц рассмотрел все отделы физики, где превращения
энергии должны наблюдаться, и показал приложения принципа сохранения энер-
гии в механике, астрономии, гидродинамике, акустике, учении о тепле, об элек-
тричестве и магнетизме, электромагнетизме и биологических науках.
Как было впоследствии показано, закон сохранения энергии про-
является не только в мире больших тел, но ив мире элемен-
тарных частей материи.
Закон сохранения энергии в учении о тепловых превращениях
получил название первого принципа термодинамики.
Рассмотрим действие этого закона на примере некоторой сис-
темы С, совершающей механическую работу за счет тепловой энер-
гии. Пусть температура системы С во всех точках одинакова. При
подведении тепла к системе ее энергия будет увеличиваться. Если
воздействие на систему сводится только к подведению тепла, то
увеличение энергии системы произойдет на величину \U=Q. Систе-
ма может совершить работу за счет уменьшения своей энергии и
понижения температуры. Если одновременно происходит подведе-
ние к системе тепла и совершение системой работы А, то изме-
104
ненйе энергии системы произойдет на величину = Q—А. Если
энергия системы не изменяется, то A=Q.
Это уравнение в количественной форме выражает первый прин-
цип термодинамики, состоящий в том, что для получения работы
без изменения энергии системы к системе необходимо подводить
тепло. Поэтому невозможно создать двигатель,
совершать работу, не получая тепла, т. е. не-
возможно создать вечный двигатель первого
рода.
Можно, не нарушая первого принципа тер-
модинамики, умозрительно представить рабо-
ту двигателя, в котором тепло передается от
менее нагретого тела к более нагретому и при
этом работа не совершается. Такие двигатели
получили название вечных двигателей второго
рода.
Многовековой опыт человечества показал,
что создание вечных двигателей второго рода,
так же как и вечных двигателей первого рода,
который мог бы
Рис. 3.2. Графическое
представление состоя-
ний тела
невозможно.
В термодинамике рассматриваются равновесные состояния тел,
температура которых в занимаемом объеме, а также давление, при-
ложенное ко всей поверхности тела, одинаковы.
Состояние тела можно охарактеризовать занимаемым объемом,
давлением и температурой. Соотношение между этими параметра-
ми для любого вещества определяется уравнением состояния
Кр, V,T)=0,
где р — давление; V — объем, занимаемый телом; Т — темпера-
тура.
Для идеального газа (или приближенно для любого достаточно
разреженного газа) уравнение состояния может быть записано
в виде
pV=RT,
где R — газовая постоянная.
Изменение состояний вещества удобно представлять в виде гра-
фиков. Например, для некоторого газа можно изобразить зависи-
мость давления от объема (рис. 3.2). Точка А соответствует значе-
ниям давления р\ и объема V]. Из уравнения состояния для этого
газа можно определить значение температуры:
T^p.VJR.
Среди возможных изменений состояний тел в термодинамике особое значе-
ние имеют процессы изотермические и адиабатические.
При изотермических процессах температура тела остается неизменной. Для
идеальных газов изотермические процессы изображаются кривыми p=f(V) (изо-
термами), представляющими собой гиперболы. Такие кривые для различных зна-
чений температуры газа показаны на рис. 3.3.
105
В адиабатических процессах не происходит обмен тепла между телом и окру-
жающей средой. Уравнение адиабатического процесса идеального газа имеет вид
PvCp/Cv=K,
где ср, cv — удельные теплоемкости газа при постоянном давлении и постоянной
температуре соответственно; К—постоянная величина.
Если кривые изотермы и адиабаты имеют общую точку пересечения, то они
располагаются таким образом, что при увеличении объема давление адиабаты
уменьшается в большей степени (рис. 3.4).
Рис. 3.3. Изотермические
процессы
Рис. 3.4. Относитель-
ное расположение адиа-
баты 1 и изотермы 2
При расширении идеального газа, переходе из состояния С (рис. 3.5) в со-
стояние D и сохранении неизменным давления совершается работа, численно рав-
ная заштрихованной площадке ACDB;
A=pkV.
В случае, когда изменение состояния газа происходит по некоторой произ-
вольной кривой, величина работы определяется также заштрихованной площад-
кой (рис. 3.6).
Рис. 3.5. Работа расши-
ряющегося идеального га-
за при постоянном дав-
лении
Рис. 3.6. Работа расширяю-
щегося идеального газа при
произвольно изменяющемся
давлении
Пусть система исходя из некоторого состояния Т после ряда изменений вновь
возвращается в это состояние (рис. 3.7). Такие изменения состояний называются
круговыми процессами или циклами. При переходе из состояния Т (через а) в S
системой совершается положительная работа, а при переходе из S (через б)
в Т — отрицательная работа. Заштрихованной площадкой на рис. 3.7 показана
положительная работа, совершаемая системой в результате кругового процесса.
Действие идеальной машины Карно также происходит по круговому про-
цессу, в котором за счет подведения тепла совершается работа.
106
Машина Карно состоит из четырех частей:
двух источников тепла, в которых поддержи-
вается постоянной температура 1\ и Т2
(рис. 3.8), адиабатической подставки А, через
которую не может передаваться тепло, и ци-
линдра с поршнем D. Источник с более высо-
кой температурой Tt называется нагревате-
лем, а с более низкой температурой Т2 — хо-
лодильником. Боковые стенки цилиндра
и поршень выполнены из адиабатного мате-
риала, исключающего обмен теплом с окру-
Рис. 3.7. Круговой процесс
изменения состояний систе-
мы
жающей средой, а нижняя стенка цилиндра
обладает абсолютной проводимостью тепла и
имеет, следовательно, теплоемкость, равную
нулю. Машина Карно действует следующим
образом. Цилиндр с идеальным газом уста-
навливается на нагреватель. Состояние газа характеризуется давлением pt, опре-
деляемым грузом, объемом и температурой 7, (точка А на рис. 3.9). Посте-
пенно, теоретически бесконечно медленно, будем снимать груз, уменьшая тем са-
мым давление. Газ будет расширяться при постоянной температуре и совершать
положительную работу за счет получения тепла от нагревателя. При достижении
Идеальный
газ
Рис. 3.8. Условная конструкция иде-
альной машины Карио
состояния, соответствующего точке В, цилиндр мгновенно переместится на адиа-
батическую подставку и далее произойдет уменьшение давления и изменение со-
стояния газа по адиабате. Газ совершает работу за счет внутренней энергии,
и поэтому его температура уменьшается. Адиабатическое расширение газа произ-
водится до тех пор, пока его температура не станет равной температуре холо-
дильника Т2 (точка С). Затем цилиндр устанавливается на холодильник, при
этом происходит бесконечно медленное увеличение давления я изотермическое
сжатие газа до состояния D (точка D определяется как пересечение изотермы,
выходящей из точки С, и адиабаты, выходящей из А). В результате сжатия газа
производится «отрицательная» работа н тепло газа отдается холодильнику. Из-
менение состояния газа из D в А на диаграмме происходит за счет дальнейшего
сжатия на адиабатической подставке.
Совокупность кривых ABCDA называется циклом Карно. При совершении
цикла Карно от нагревателя было взято тепло Qi, а холодильнику отдано теп-
ло Q2. Разность Qi—Q2 и определяет положительную работу, совершенную систе-
мой во время цикла. Эта работа численно равна площади ABCDA.
Эффективность работы всякой тепловой машины характеризует-
ся величиной коэффициента полезного действия (к. п. д.), который
находится как отношение количества тепла, затраченного на рабо-
ту, ко всему полученному от нагревателя теплу:
/С= (Qt-Q2)/Qi.
107
Для идеальной машины Карно справедливо равенство
(Q1-Q2)/Qi = (7,I-T2)/rI. /
т. е. к. п. д. тепловой обратимой машины зависи/ только от вели-
чин температур Л и Ti-
Заставив машину работать в обратном направлении, получим
холодильную установку, которая будет отбирать тепло.
К. п. д. любой обратимой тепловой машины не зависит от ее
конструкции:
П=(Л-7,2)/Г1 = 1-Г2/Л.
Для увеличения к. п. д. необходимо уменьшать отношение Т^Т^.
Если температуру холодильника Т2 довести до нуля, то можно все
тепло, поступающее от нагревателя, израсходовать на работу,
так как т) = 1.
У реальных машин обычно температура холодильника опреде-
ляется условиями окружающей среды. Понижать ее, как правило,
не целесообразно, это сопряжено с дополнительным расходовани-
ем энергии. Поэтому совершенствование машин идет по пути уве-
личения температуры нагревателя.
Температуры нагревателя и холодильника по-разному влияют на значения
к. п. д. идеального обратимого цикла Карно.
Если при температурах 71=800 К и 72 = 300 К к. п. д.
Т)= (800—300)/800=0,625,
то при уменьшении 72 на 20 К
т)= (800—280)/800=0,65.
Для того чтобы получить такое же изменение к. п. д., необходимо темпера-
туру нагревателя увеличить примерно до 857 К, т. е. на 57 К.
Следовательно, изменения температуры холодного источника более значи-
тельно влияют на значения к. п. д.
Эксергия. При анализе свойств тепловых машин обычно состав-
ляют энергетический баланс, иногда называемый тепловым балан-
сом. Например, при рассмотрении тепловых станций приводится
баланс тепла, в котором, как правило, за 100% принимается теп-
ло, получаемое при сжигании органического топлива, и далее ука-
зываются составляющие расхода этого тепла на выработку элект-
роэнергии, на потери в различных элементах: паропроводах, кон-
денсаторах, турбинах и т. д. При составлении таких балансов не
учитывается качество тепловой энергии, которое будет различ-
ным у энергии, преобразуемой в парогенераторах, и у энергии, те-
ряемой в конденсаторах. Чем ближе температура рабочего тела
к температуре окружающей среды, тем практическая пригодность
тепловой энергии ниже. В конденсаторах тепловых станций темпе-
ратура рабочего тела близка к температуре окружающей среды,
поэтому возникающие в них большие потери энергии отражает по-
тери в других звеньях цепочки преобразований энергии и указы-
вают на несовершенство тепловых процессов.
108
Качество ^энергии в конденсаторах низкое, его снижение отно-
сительно качества тепла в парогенераторах происходит на пред-
шествующих этапах преобразования энергии. Таким образом, теп-
ловой баланс не позволяет выявить элементы тепловой уста-
новки, в которых протекают процессы, снижающие качество
энергии. \
Качество различных видов энергии оценивается эксергией —
максимальной способностью материи к совершению работы в таком
процессе, конечное состояние которого определяется условиями
термодинамического равновесия с окружающей средой.
Окружающая среда содержит, по существу, неограниченное ко-
личество тепла, однако его качество, определяемое практической
пригодностью, в соответствии со вторым законом термодинамики
равно нулю.
Для оценки практической пригодности энергии, содержащейся
в материи, важно знать не только количество эксергии, но и ее кон-
центрацию, т. е. отношение эксергии к объему термодинамического
агента. Чем выше концентрация эксергии, тем лучше показатели
сооружения и эксплуатации энергетических установок.
Направление превращений энергии. Наблюдая различные явле-
ния в природе, можно прийти к выводу о том, что все они сопро-
вождаются появлением тепла. Так, при механических движениях
тел происходит превращение кинетической энергии в тепло. Такое
превращение можно показать на следующем примере. Предполо-
жим, что упругий шарик из слоновой кости движется по горизон-
тальной поверхности. В идеальных условиях (при отсутствии тре-
ния) шарик в соответствии с первым законом Ньютона двигался
бы бесконечно долго. Из-за трения кинетическая энергия движения
шарика постепенно переходит в тепло. Шарик замедляет свое дви-
жение и останавливается, при этом его кинетическая энергия пол-
ностью переходит в тепло.
Энергия звуковых колебаний газа, или акустическая энергия,
в помещении также переходит в тепло в результате трения в газе
и поглощения звука стенами. В идеальных условиях при абсолют-
но отражающих стенах и отсутствии трения в газе звук сохранялся
бы в помещении вечно.
Можно привести много примеров из самых различных областей
и показать, что все явления (электрические, магнитные, механиче-
ские и т. д.) сопровождаются тепловыми процессами. Таким обра-
зом, энергия замкнутой системы, сохраняя свою величину, все
в большей мере переходит в тепло. Температура системы повы-
шается, выравнивается и через бесконечно большое время все про-
цессы в замкнутой системе должны прекратиться, так как вся энер-
гия при протекании процессов переходит во внутреннюю энергию —
тепло, равномерно распределенное по системе. Направленность
превращений энергии, устанавливаемая вторым законом термоди-
намики, называется принципом рассеяния энергии Томсона. Реаль-
ные системы в природе не замкнуты. Они обмениваются энергией
с другими связанными с ними системами, и поэтому к таким сиС-
109
темам нельзя применять вывод о прекращении всех процессов или
наступлении так называемой «тепловой смерти». z
Связь между массой и энергией. В соответствии с законами тео-
рии относительности, созданной А. Эйнштейном, мдСса тела зависит
от скорости движения его: /
т=т0ЕУ1 — (и/с)2, )
где /п0 — масса покоя, т. е. масса тела при скорости, равной нулю
(ц = 0); с=3-1010 см/с — скорость света.
Если скорость движения тела равна нулю, то т=т0. При увели-
чении скорости масса тела увеличивается и в пределе, когда тело
движется со скоростью света (п/с=1), его масса равна бесконеч-
ности. При этом никакие конечные силы не в состоянии изменить
траекторию движения тела.
А. Эйнштейн показал, что полная энергия тела и его масса свя-
заны соотношением, имеющим универсальное значение:
Е=тс2.
Объединение Эйнштейном закона сохранения массы и закона
сохранения энергии представляет собой величайшее открытие
XX столетия.
Если полностью преобразовать в энергию массу в 1 кг, то можно
получить 25 ТВт-ч, что значительно превышает полную потребность
в электрической энергии всего населения мира в течение суток.
В результате аннигиляции, происходящей при столкновении
электрона с позитроном, происходит уничтожение этих частиц и по-
рождение двух у-квантов с энергией 0,51 МэВ каждый, что в точ-
ности равно энергии покоя электрона или позитрона (тос2).
§ 3.2. Тепловые конденсационные электрические станции
Тепловые конденсационные электрические станции преобразо-
вывают энергию органического топлива вначале в механическую,
а затем в электрическую. Механическую энергию упорядоченного
вращения вала получают с помощью тепловых двигателей, преоб-
разующих энергию неупорядоченного движения молекул пара или
газа.
Все тепловые двигатели подразделяются:
по виду используемого рабочего тела —парили
газ;
по способу преобразования тепловой энергии
в механическую — поршневой или роторный (табл. 3.2).
В поршневом способе для преобразования используется потен-
циальная энергия рабочего тела, получаемая при его нагревании.
В роторном способе используется кинетическая энергия движущих-
ся с большой скоростью частиц рабочего тела.
Паровая машина была единственным двигателем, используемым
в промышленности и на транспорте в XVIII и XIX вв. В настоящее
время она практически не используется, а широко применявшиеся
110
Таблица 3. 2
Способ работы Рабочее тело
пар газ
Поршневой \ Роторный Паровая машина Паровая турбина Двигатель внутреннего сгорания Газовая турбина
в прошлом паровозы и пароходы почти полностью сняты с произ-
водства.
В наше время наибольшее распространение получили двигатели
внутреннего сгорания, используемые на автомобильном транспор-
те. В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания на-
ходят ограниченное применение.
На современных тепловых станциях устанавливают паровые тур-
бины. Первая паровая турбина, предназначенная для вращения
электрического трехфазного генератора, была установлена на
Эльберфельдской электростанции в 1899 г. С тех пор началось раз-
витие мощных паротурбинных электростанций.
В качестве тепловых двигателей на электрических станциях ис-
пользуют также газовые турбины.
Для повышения эффективности работы тепловых двигателей
стремятся максимально увеличить температуру рабочего тела и его
давление до величин, приемлемых по условиям механической проч-
ности конструкционных материалов.
В современных паровых установках, составляющих основу энер-
гетики, используется пар при температуре 600° С и давлении
30 МПа. Для охлаждения рабочего тела (пара) обычно применяют
холодную воду, которая понижает его температуру до 30—40° С.
При этом давление пара резко падает.
На рис. 3.10 схематически показаны стадии преобразования
первичной энергии органического топлива в электрическую.
Рис. 3.10. Схема преобразования энергии на тепло-
вых станциях
111
w
Рис. 3.11. Структурная схема
тепловой конденсационной стан-
ции:
1 — парогенератор, 2 — паровая
турбина, 3 — электрический гене-
ратор, 4 — конденсатор, 5 — насос
~ ~ ~ — пар,..........— вода и
конденсат,--------охлаждающая
вода
! Основные процессы теплового цикла паровых установок проис-
। ходят в следующих элементах: в парогенераторах V подвод тепла,
I в турбинах — расширение пара, в конденсаторах — охлаждение.
( С помощью насосов высокого давления производится сжатие, при
L котором конденсат нагнетается в парогенератор,
Схема тепловой станции показана на рис. 3.11. Станция такого
типа работает следующим образом. Из бункера 1 (рис. 3.12) уголь
поступает в дробильную установку
2, где он превращается в пыль.
Угольная пыль вместе с воздухом из
воздуходувки 3' подается в топку 3.
Тепло, получаемое при сжигании уг-
ля, используется для преобразова-
ния воды в пар в трубах 4. Вода по
змеевику 5 накачивается насосом 14
в барабан котла 5'. Пар, нагретый
потоком горячих газов, уходящих в
трубу 6, при высокой температуре и
при высоком давлении поступает
сначала в первую ступень турбины 7
и далее во вторую ступень 8. В тур-
бине энергия пара преобразуется в
механическую энергию вращения
ротора генератора 9, вырабатываю-
щего электрическую энергию. Отра-
ботанный в турбине пар поступает в
конденсатор 13, превращается в во-
ду, которая насосом 14 подается в
котел, и затем цикл превращения
воды повторяется. Охлаждение пара в конденсаторе производится
с помощью воды, забираемой из водоема (пруда или реки) 11, нака-
чиваемой насосом 12 и вновь выбрасываемой в водоем. Продукты
сгорания угля проходят через очистительные сооружения (не пока-
занные на рис. 3.12), где выделяются зола, твердые частички несго-
ревшего угля и прочие примеси, а оставшиеся газы через трубу 6
выбрасываются в атмосферу. Электрическая энергия, получаемая
от статора генератора, отдается в электрическую систему через вы-
воды 10.
Рассмотрим несколько подробнее основные элементы тепловой
конденсационной станции, показанные на рис. 3.11.
Пар получают в парогенераторе. Современный парогенератор
представляет собой сложное техническое сооружение больших раз-
меров, высота которого соизмерима с высотой пятиэтажного дома.
В топке парогенератора сжигается превращенный в мелкую пыль
уголь, газ или распыленная нефть при температуре 1500-4-2000° С.
Для наиболее полного сжигания топлива с помощью вентиляторов
в больших количествах подается подогретый воздух. Появляющее-
ся в процессе сгорания топлива тепло нагревает воду, превращает
ее в пар и увеличивает его температуру и давление до расчетных
112
значений. Использованные горячие газы дымососами вытягивают-
ся из парогенератора и подаются в очистительные/устройства, а за-
тем направляются в дымовую трубу. /
Вода, подаваемая в парогенератор, предварительно очищается
от примесей, содержание которых допускается в количестве мень-
шем, чем в питьевой воде. Очистка воды производится в специаль-
ных устройствах — питателях.
По конструктивному выполнению парогенераторы подразделя-
ют на барабанные и прямоточные.
Рис. 3.13. Барабанный пароге-
нератор
Рис. 3.14. Прямоточный па-
рогенератор
В барабанном парогенераторе (рис. 3.13) имеется
стальной барабан 3, в нижней части которого находится вода,
а в верхней части — пар. По циркуляционной трубе 2 вода посту-
пает в трубки экрана 1, покрывающие стенки топки 7. Трубки эк-
рана выполняют стальными, небольшого диаметра (примерно 40 мм
снаружи и 32 мм внутри), для того чтобы они смогли выдержать
большое давление пара. В крупном парогенераторе каждый час ис-
паряются сотни тонн воды и поэтому трубки имеют общую длину
до 50 км.
Чтобы повысить эффективность работы парогенератора, вода
перед подачей в барабан нагревается в экономайзере 5, а воздух
перед подачей в топку подогревается горячими газами в воздухо-
подогревателе 6. Выходящий из барабана пар дополнительно на-
гревается в пароперегревателе 4.
В барабанном парогенераторе происходит естественная цирку-
ляция воды и пароводяной смеси за счет их разной плотности. По
мере увеличения температуры и давления пара уменьшается раз-
ность в плотностях воды и пара, что ухудшает их циркуляцию.
В прямоточном парогенераторе барабана нет. Цир-
куляция воды и пара создается насосами (рис. 3.14). Вода через
114
водоподогреватель 3 поступает в трубы 1, расположенные в топке,
превращается в hap, который затем подается в пароперегреватель 2
и далее в турбину, В воздухоподогревателе 4 происходит подогрев
воздуха перед подачей его в топку. Прямоточные парогенераторы
требуют чувствительного и точного регулирования подачи воды.
Кроме того, к питательной воде, используемой в парогенераторах
этого типа, предъявляют очень высокие требования в отношении
ее качества.
Прямоточные котлы получили широкое распространение, так
как они дешевле барабанных. Кроме того, котлы других конструк-
ций не позволяют получать пар при давлении выше 20 МПа. У ба-
рабанных парогенераторов при высоких давлениях нарушается ес-
тественная циркуляция воды и пара.
Прямоточные парогенераторы стали применяться в нашей стране в 30-е годы
по инициативе Л. К. Рамзина, который разработал ряд оригинальных конструк-
ций котлов.
Турбины. Полученный в парогенераторах перегретый пар при
температуре ~ 600° С и давлении 30 МПа по паропроводам пере-
дается в сопла. Сопла предназначены для преобразования внутрен-
ней энергии пара в кинетическую энергию упорядоченного движения
молекул.
Расширяющееся сопло изобрел шведский инженер Густав Лаваль, на кото-
рое в 1889 г. был выдан английский патент. Характерной чертой творчества
Лаваля было то, что он создавал работоспособные конструкции, теорию кото-
рых позднее разрабатывали другие. Так, теория расширяющегося сопла была
в приближенной форме разработана только в 1899 г.
Если перед входом в сопло пар имел некоторую начальную ско-
рость со и начальное давление р\ (рис. 3.15), то после выхода из
сопла в результате расширения пара происходит увеличение его
скорости до величины Ci и уменьшение давления до величины р2.
Температура пара при этом также значительно понижается.
Рис. 3.15. Работа активной
турбины
Рис. 3.16. Работа реактив-
ной турбины
115
После выхода из сопла пар подается на рабочие лопатки турби-
ны. Если турбина активная, то между ее рабочими лопат-
ками расширения пара не происходит, следовательно, давление па-
ра не меняется (рис. 3.15). Абсолютная скорость движения пара
уменьшается от а до сг вследствие вращения турбины со скоро-
стью V.
Конструктивно обычно турбина выполняется в виде нескольких
ступеней, каждая из которых состоит из одного венца сопловых
лопаток и одного венца рабочих лопаток. Сопловые и рабочие ло-
патки закреплены на окружностях одинакового радиуса.
У реактивной турбины или ступени происходит рас-
ширение пара, проходящего через каналы рабочих лопаток. В за-
висимости от показателей расширения пара в каналах турбины ха-
рактеризуют степенями реактивности.
В настоящее время турбины выполняют многоступенчатыми,
причем в одной и той же турбине могут быть как активные, так и
реактивные (с различной степенью реактивности) ступени.
Изменение параметров пара в реактивной ступени турбины по-
казано на рис. 3.16. В соплах турбины происходит частичное рас-
ширение пара до промежуточного давления р'\. Дальнейшее рас-
116
ширение пара до давления р2 происходит в каналах между лопат-
ками. Абсолютная скорость пара в сопле увеличивается до вели-
чины с'1, а в кайалах между лопатками уменьшается из-за вра-
щения лопаток до величины с2.
Общий вид лопарок мощной паровой турбины показан на
рис. 3.17.
1 Ч&.'
Рис. 3.18. Возникновение реактивной силы
Рис. 3.19. Модель па-
ровой турбины Герона
Александрийского
В реактивных турбинах помимо центробежных сил, возникаю-
щих при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют
реактивные силы, вызванные расширением пара.
Появление реактивной силы можно продемонстрировать на сле-
дующем примере. Пусть в бак, установленный на тележке
(рис. 3.18), подведен пар под давлением, который в положении а
равномерно действует на все стенки. Если
убрать пробку, то равновесие бака сразу же
нарушится. На правую стенку будет действо-
вать неизменная сила, а сила, действующая
на левую стенку, резко уменьшится, так как
давление окружающей среды меньше, чем
давление в баке. Пар устремится из бака, а
тележка под действием реактивной силы нач-
нет двигаться вправо (положение б).
Реактивную силу пара использовал более 2000 лет
назад греческий ученый Герои Александрийский, соз-
давший модель паровой турбины. Модель состояла из
подогреваемого баллона с водой 1, из которого образу-
ющийся пар подавался в шар с соплами 2 (рис. 3.19).
При этом шар под действием реактивных сил приводил-
ся во врашение.
Более двадцати веков изобретатели пытались соз-
дать промышленные паровые турбины, и только в конце
XIX в. эти попытки оказались успешными благодаря
достаточно высокому уровню технического прогресса, в
первую очередь прогресса в области металлургии.
Рассмотрим условия наиболее эффективного исполь-
зования кинетической энергии пара. Направляя струю
пара на тележку по касательной к полуокружности
поверхности щита (рис. 3.20), можно выбрать такую ве-
личину груза Р, при котором тележка будет находиться
в неподвижном состоянии. При обтекании поверхности
тележки пар под действием центростремительной силы F
117
Рис. 3.20. Действие струи пара на те-
лежку
изменяет направление скорости. На те-
лежку действует сида Г', работа кото-
рой равна нулю, так как равно нулю
•перемещение тележки в направлении
действия этой силы. При неподвижной
тележке абсолютные скорости пара в
прямом и обратном направлениях будут
одинаковы. Если не учитывать неболь-
ших потерь на трение, то кинетическая
энергия пара при изменении направле-
ния движения не изменится.
Предположим теперь, что величина
груза Р такова, что тележка приходит
в движение. Абсолютную скорость пара,
выходящего из сопла, обозначим через
и,, скорость тележки — v2, скорость пара относительно тележки — и3. Пусть ско-
рость тележки v2=vi/2. Тогда из=П|—щ/2 = щ/2. Обогнув стенку тележки, пар
выходит со скоростью щ/2 относительно тележки, направленной противоположно
скорости V). Абсолютная скорость пара при выходе из тележки
= vt/2—oi/2=0,
т. е. кинетическая энергия движения пара будет отдана тележке.
Абсолютная скорость пара, выходящего из сопла, достигает величин, превы-
шающих скорость звука. Следовательно, для наиболее экономичной работы тур-
бины необходима большая частота вращения сс ротора (20 000—30 000 мин-1).
При таких частотах, возникают огромные центробежные силы, действующие на
вращающиеся части турбины. Например, при диаметре диска турбины £>=1 м и
частоте вращения п = 30 000 мин-1, линейная скорость на окружности диска со-
ставит
v = лРп’бС-=3,14 • 1 30000/60 = 1570 м/с,
что более чем в 4,5 раза превышает скорость звука. В этих условиях частица
диска турбины весом 9,8 мН у его поверхности будет стремиться оторваться
с силой 2,5-104 Н.
Инерционные перегрузки уменьшают применением ступеней скорости и давле-
ния.
В случае использования ступеней скорости лопаткам турбины отдается не
вся энергия пара первой ступени, а только часть ее. Если скорость перемещения
лопаток t>2 принять равной 0,25 от абсолютной скорости пара, то пар покинет
лопатки турбины со скоростью щ/2, которая и определит оставшуюся кинетиче-
скую энергию (рис. 3.21). Так, если щ = 800 м/с и и2=200 м/с, то относительная
скорость пара п2=800—200=600 м/с. Абсолютная скорость пара на выходе лопа-
ток первой ступени а составит величину 600—200=400 м/с. Далее пар направ-
ляется на неподвижные лопатки с. Рассуждая
аналогично, получим, что абсолютная скорость
пара после прохождения рабочих лопаток вто-
рой ступени b равна нулю. Если не учитывать
потери, то вся кинетическая энергия пара в
этом случае превращается в механическую
энергию вращения турбины.
Ранее на схеме (см. рис. 3.12) была пока-
зана турбина, имеющая две ступени (7 н 8).
Применение двух ступеней позволяет лучше
использовать энергию пара и иметь в два раза
меньшую частоту вращения турбины.
При снижении скорости центробежные си-
лы становятся меньше и надежность работы
турбин обеспечивается легче. Однако умень-
шение скорости вращения имеет и серьезные
Рис. 3.21. Применение ступеней
скорости для уменьшения инер-
ционных перегрузок турбины
отрицательные последствия, так как конструк-
ции турбин становятся громоздкими и требуют
118
Рис. 3.23. Схема рабо-
ты реактивной много-
ступенчатой турбины
больших затрат металла. Конструкторы в этих условиях ищут компромиссные
(оптимальные) варианты. В нашей стране изготовляются паровые турбины с ча-
стотой вращения 3000 мин-1.
В случае применения ступеней давления потенциальная энергия пара не
сразу, а постепенно, ступенями, преобразуется в кинетическую энергию вращения
вала турбины. В сопле первой ступени пар расширяется не полностью и, следова-
тельно, скорость получается меньшей. В последующих ступенях происходит даль-
нейшее расширение пара. На рис. 3.22 и 3.23 показаны схемы работы активной и
реактивной многоступенчатых турбин.
Конденсаторы. Пар, выходящий из турбины, направляют для ох-
лаждения и конденсации в специальные устройства, называемые
конденсаторами. Конденсатор представляет собой цилиндрический
корпус, внутри которого имеется большое число латунных трубок.
По трубкам протекает охлаждающая вода, поступающая в конден-
сатор обычно при температуре 10-4-15° С, а выходящая из него —
при температуре 20-4-25° С. Пар обтекает трубки сверху вниз, кон-
денсируется и снизу удаляется. Давление в конденсаторе поддер-
живается в пределах 3—4 кПа, что достигается охлаждением пара.
Расход охлаждающей воды составляет примерно 50—100 кг на
1 кг пара. На электростанции мощностью 1 ГВт расходуется 40 м3/с
охлаждающей воды, что примерно равно расходу воды в Москва-
реке.
Если воду для охлаждения пара забирают из реки, подают в кон-
денсатор, а затем сбрасывают в реку, то такую систему водоснаб-
жения'называют прямоточной. В случаях, когда воды в реке не
хватает, сооружают пруд. С одной стороны пруда вода подается
в конденсатор, а в другую сторону пруда сбрасывается нагретая
в конденсаторе вода.
В замкнутых циклах водоснабжения для охлаждения воды, на-
гретой в конденсаторе, сооружают градирни, представляющие со-
бой устройства высотой примерно 50 м. Вода вытекает струйками
119
. Мии
из отверстий лотков, разбрызгивается и, стекая вниз, охлаждается
Внизу расположен бассейн, в котором вода собирается и затем на-
сосами подается в конденсатор.
Тепловой баланс конденсационной электрической станции. На
тепловых электрических станциях происходят многократные пре-
образования энергии, сопровождающиеся потерями. ^Экономич-
Тепло, превращенное
’257д В электроэнергию
Тепло, полу-
чаемое при
сжигании
топлива
на %
Потери в
конденса-
торе
*—\ J Потери 6
П и А турбогенераторах
Потери вкотель- ^оп^аВодак
нам агрегате
/2%
Б %
Рис. 3.24. Тепловой баланс конденсационной электрической
станции
ность процесса преобразования химической энергии топлива в элек-
трическую и потери на различных стадиях производства можно
выявить из анализа теплового баланса электрической станции. Ес-
ли за 100% принять химическую энергию, получаемую при сжига-
нии угля в топках котлов, то в среднем только 25% этой энергии
превращается в электрическую (рис. 3.24). Наибольшие потери теп-
ла происходят в конденсаторе. С охлаждающей водой конденсато-
ра уносится 55% тепла.
§ 3.3. Теплоэлектроцентрали
Производство электрической энергии на тепловых станциях со-
провождается большими потерями тепла. В то же время многим
отраслям промышленности, таким, как химическая, текстильная,
пищевая, металлургическая, и ряду других тепло необходимо для
технологических целей. Для отопления жилых зданий требуется
в значительном количестве горячая вода.
В Советском Союзе больше '/г всего добываемого топлива рас-
ходуется на тепловые нужды предприятий. Ориентировочное пред-
ставление о потреблении тепла в промышленности можно получить,
рассмотрев потребности в нем какого-либо конкретного предприя-
тия. Например, на автомобилестроительном заводе приблизитель-
но 3Л всего потребляемого тепла идет на отопление, вентиляцию
и бытовые нужды и только '/4 расходуется на производственные
цели. Противоположная ситуация на азотнотуковом комбинате —
предприятии химической промышленности. Здесь примерно 3/4 все-
120
го потребляемого тепла расходуется на производственные цели.
Удовлетворение потребностей в тепле, подавляющая часть которо-
го используется в виде горячей воды и пара, сооружением неболь-
ших индивидуальных котельных, как правило, не экономично, так
как такие установки работают с небольшими к. п. д. и технически
менее совершенны, чем крупные установки современных мощных
тепловых станций.
В этих условиях естественно использовать пар, получаемый
в парогенераторах на тепловых станциях, как для выработки элект-
роэнергии, так и для теплофикации потребителей. Электростанции,
выполняющие такие функции, называются теплоэлектроцентра-
лями.
Отработанный в турбинах конденсационных станций пар имеет
температуру 25-1-30° С, и поэтому он непригоден для использования
в технологических процессах на предприятиях. Во многих произ-
водствах требуется пар при давлении 0,54-0,9 МПа, а иногда и до
2 МПа для приведения в движение прессов, паровых молотов, тур-
бин. Иногда требуется горячая вода при температуре 704-150° С.
Для получения пара с необходимыми для потребителей пара-
метрами используют специальные турбины с промежуточными от-
борами пара. В таких турбинах, после того как часть энергии пара
израсходуется на приведение в движение турбины и параметры
его понизятся, производится отбор некоторой доли пара для потре-
бителей. Оставшаяся доля пара далее обычным порядком исполь-
зуется в турбине и затем поступает в конденсатор. Поскольку для
части пара перепад давления оказывается меньшим, несколько воз-
растает расход топлива на выработку электроэнергии. Так, если
при перепаде давления от 9000 кПа до 4 кПа на выработку 1 кВт-ч
электроэнергии требуется 4 кг пара, то при увеличении давления
отработанного пара до 120 кПа необходимое количество пара со-
ставляет 5,5 кг. Однако такое увеличение расхода пара на выра-
ботку электроэнергии на ТЭЦ и связанное с этим увеличение рас-
хода топлива в конечном счете оказываются меньшими по сравне-
нию с расходом топлива в случае раздельной выработки электро-
энергии и выработки тепла на небольших котельных установках.
Благодаря более полному использованию тепловой энергии
к. п. д. ТЭЦ достигает 60—65%, а к. п. д. КЭС — не более 40%. На
рис. 3.25 приведен примерный тепловой баланс теплоэлектроцент-
рали.
Горячая вода и пар под давлением, достигающем в отдельных
случаях 3 МПа, доставляются потребителям по трубопроводам. Со-
вокупность трубопроводов, предназначенных для передачи тепла,
называется тепловой сетью.
Конденсат, получаемый после использования пара потребите-
лями, представляет собой чистую воду, практически лишенную
примесей солей, так как эта вода перед подачей в парогенераторы
очищается в питателях. Конденсат целесообразно собирать и затем
вновь использовать для производства пара. Поэтому паровая сеть
выполняется из паровых труб и конденсаторопроводов. Водяная
121
Тепла, полу-
чаемое при
сжигании
топлива
ioo7,
2°/
\ Vz Потери в porrlepU в
паропроводах туррогере _
Потери в котельном роторах
агрегате
127.
507,
Тепли, превра-
щенное в элект-
роэнергию
Отвар на
теплофикацию
Потери в
конденсаторе
Рис. 3.25. Тепловой баланс теплоэлектроцентрали
Рис. 3.26. Подвижные
опоры теплопроводов:
а — катковая; б — сколь-
зящая: / — изоляция.
2 — труба, — опора,
бетонная подушка
сеть также состоит из двух видов трубопроводов — подающих и об-
ратных.
Тепловые сети обычно прокладывают под землей, но иногда при-
меняют и наземную прокладку труб на эстакадах или отдельно
стоящих мачтах. Так как при нагревании трубопроводы расширя-
ются, а следовательно изменяется их длина, то определенное ко-
личество опор, поддерживающих трубы, выполняются подвижны-
ми. На рис. 3.26 показаны два вида подвижных опор — катковая и
скользящая. Скользящие опоры значитель-
но проще в изготовлении и дешевле.
Для уменьшения потерь тепла теплопро-
воды снаружи покрывают тепловой изо-
ляцией, в качестве которой применяют
диатомовый кирпич, диатомовые фасонные
изделия, минеральную вату и пенобетон.
Пенобетон изготовляется из цементного
раствора с добавлением пенообразователя.
После застывания массы получается мате-
риал, содержащий большое количество зам-
кнутых, заполненных воздухом ячеек, что и
обеспечивает его хорошие теплоизоляцион-
ные свойства. Тепловая изоляция позволя-
ет при передаче горячей воды, имеющей
температуру около 150° С, иметь потери не
более 0,44-0,6° С на каждом километре. Од-
нако даже такие небольшие потери при раз-
витых тепловых сетях составляют в сово-
купности значительное количество тепла,
на выработку которого требуется большой
расход топлива. По ориентировочным под-
счетам, в тепловых сетях Москвы теряется
в год 10’5 Дж тепла, на получение которого
требуется расход свыше 40 тыс. т у. т.
122
Экономия топлива связана с совершенствованием тепловой изо-
ляции, поэтому повышение ее качества относится к одной из важ-
нейших задач теплофикации.
Эффективность работы системы теплоснабжения во многом за-
висит от рационального размещения теплоэлектроцентралей, кото-
рые стремятся по возможности приблизить к крупным потребите-
лям тепла и электрической энергии, так как передача тепла в виде
пара неэкономична при расстояниях свыше 5—7 км. На решение
вопроса о целесообразных местах расположения теплоэлектроцент-
ралей в последнее время значительное влияние оказывает загряз-
нение ими окружающей среды.
Централизованное теплоснабжение на базе комбинированной
выработки тепла и электрической энергии имеет большие преиму-
щества: обеспечивает основную долю потребности в тепле промыш-
ленного и жилищно-коммунального хозяйства, уменьшает расходо-
вание топливно-энергетических ресурсов, а также материальных
и трудовых затрат в системах теплоснабжения.
Однако при максимальной централизации теплоснабжения на
ТЭЦ может быть выработано только 25—30% требуемой электро-
энергии. Работа же конденсационных станций определяется только
условиями выработки электроэнергии, что делает весьма благопри-
ятным концентрацию больших электрических мощностей и позво-
ляет быстро наращивать электроэнергетический потенциал страны.
Поэтому в настоящее время и в будущем будут строиться конден-
сационные станции, несмотря на те преимущества, которые имеет
выработка электроэнергии на теплоэлектроцентралях. Развитию
теплофикации в Советском Союзе уделяется большое внимание.
Так, уже в начале девятой пятилетки установленная электрическая
мощность теплофикационных агрегатов в нашей стране превысила
45 млн. кВт, что составило около 7з установленной мощности всех
тепловых электростанций страны, работающих на органическом
топливе.
§ 3.4. Газотурбинные установки
На отечественных тепловых станциях начинают широко исполь-
зовать газотурбинные установки (ГТУ). В качестве рабочего тела
в таких установках используется смесь продуктов сгорания топли-
ва с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высо-
кой температуре. В газовых турбинах происходит преобразование
тепловой энергии газов в кинетическую энергию вращения ротора
турбины.
По конструктивному исполнению и принципу преобразования
Энергии газовые турбины не отличаются от паровых. Экономич-
ность работы газовых турбин примерно такая же, как и двигателей
внутреннего сгорания, а при очень высоких температурах рабочего
газа экономичность газовых турбин выше, чем двигателей внутрен-
него сгорания. Газовые турбины более компактны, чем паровые
турбины и двигатели внутреннего сгорания.
123
Особенно широкое распространение газовые турбины получили
на транспорте. Применение газовых турбин как основных элемен-
тов авиационных двигателей * позволило в современной авиации
достичь больших скоростей, грузоподъемности и высоты полета.
Газотурболокомотивы на железнодорожном транспорте конкурен-
тоспособны с теплово-
Рис. 3.27, а. Принципиальная схема газотурбин-
ной установки:
— .— -----топливо,—X — X — воздух, • • • • — про-
дукты сгорания; б — общий вид
зами, оборудованными
поршневыми двигателями
внутреннего сгорания.
Современные газовые
турбины в основном рабо-
тают на жидком топливе,
однако, кроме жидкого
топлива может использо-
ваться газообразное: как
естественный природный
горючий газ, так и искус-
ственный газ, получаемый
особым сжиганием твер-
дых топлив любых видов.
Заманчива перспектива сжигания угл§ в местах его залегания.
При этом компрессорами под землю в необходимом количестве по-
дается воздух, производится специальное сжигание угля с образо-
ванием горючего газа, который затем подается по трубам к газо-
турбинным установкам. Впервые в мире такая опытная электро-
станция построена в Тульской области.
Работа газотурбинной установки осуществляется следующим
образом. В камеру сгорания 1 подается жидкое или газообразное
топливо и воздух (рис. 3.27, а). Получающиеся в камере сгорания
газы 2 с высокой температурой и под большим давлением направ-
ляются на рабочие лопатки турбины 3. Турбина вращает электри-
ческий генератор 4 и компрессор 5. Компрессор необходим для по-
дачи под давлением воздуха 6 в камеру сгорания. Сжатый в ком-
прессоре воздух перед подачей в камеру сгорания подогревается
в регенераторе 7 отработанными в турбине горючими газами 8.
Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания
топлива в камере сгорания.
Общий вид газотурбинной установки приведен на рис. 3.27, б
(см. вкл.).
§ 3.5. Парогазовые установки
Отработанные газы, покидающие газотурбинную установку,
имеют высокую температуру, что неблагоприятно сказывается на
к. п. д. термодинамического цикла. Совмещение газо- и паротур-
бинных агрегатов таким образом, что в них происходит совместное
* Авиационные двигатели, отработавшие свой срок на самолетах (вырабо-
тавшие ресурс), применяются в стационарной энергетике как установки для сня-
тия пиков нагрузки.
124
использование тепла, получаемого при сЖИгаНИи топлива, позво-
ляет на 8--10% повысить экономичность работы установки, на-
зываемой парогазовой, и снизить ее стоимость на 25%.
Парогазовые установки, использующие два вида рабочего те-
ла — пар и газ — относятся к бинарным. В них часть тепла, полу-
чаемого при сжигании топлива в парогенераторе, расходуется на
образование пара необходимых параметров, который затем направ-
ляется в паровую турбину (рис. 3.28). Охлажденные до темпера-
Рис. 3.28. Принципиальная схема па-
рогазовой установки:
1 — парогенератор, 2 — компрессор, 3—
газовая турбина, 4 — генератор, 5 — паровая
турбина, 6 — конденсатор, 7— иасос, 8 —
экономайзер
и—— пар,...........— вода и конденсат,
——— — топливо, —X—X— — воздух,
— • -•---продукты сгорания,-------ох-
лаждающая вода
Рис. 3.29. Схема парогазовой установ-
ки с выбросом отработанных газов
в паровой котел:
1 — парогенератор, 2 — газовая турбина,
3 — компрессор, 4 — генератор,5 — паровая
турбина, 6 — конденсатор, 7—насос, 8 —
камера сгорания
~ ~ — пар,..........— вода и конден-
сат, ---------------— топливо,—X—X-воздух,
---------продукты сгорания,--------— ох-
лаждающая вода
туры 6504-700° С газы попадают на рабочие лопатки газовой тур-
бины. Отработанные в турбине газы используются для подогрева
питательной воды, что позволяет уменьшить расход топлива и по-
высить к. п. д. всей установки, который может достичь примерно
44%.
Парогазовые установки могут работать также по схеме, в ко-
торой отработанные в газовой турбине газы поступают в паровой
котел (рис. 3.29). Газовая турбина в этом случае служит как бы
частью паросиловой установки. В камере сгорания газотурбинной
установки сжигается 30—40% топлива, а в парогенераторе — ос-
тальное топливо.
Газотурбинные установки могут работать только на жидком
или газообразном топливе, так как продукты сгорания твердого
топлива, содержащие золу и механические примеси, оказывают
вредное влияние на лопатки газовой турбины;
В газотурбинных установках, так же как и в обычных пароси-
ловых установках, тепловая энергия преобразовывается в механи-
125
ческую в турбинах и механическая энергия — в электрическую
в генераторах. Эта схема электромеханического преобразования
энергии обладает тем существенным недостатком, что необходимо
использовать Материалы, способные выдерживать большие механи-
ческие нагрузки при высоких скоростях вращения вала турбины и
высоких температурах. Ограниченная прочность материалов вынуж-
дает использовать пар при температурах не выше 600° С, в то вре-
мя как температура сжигаемого топлива достигает 2000° С. Сокра-
щение разницы в этих температурах позволит существенно повы-
сить к. п. д. тепловых установок.
• __§ 3.6. Гидравлические электрические станции
В основе изучения работы гидроэлектростанций, преобразую-
щих энергию воды в электрическую энергию, лежит наука, называ-
емая гидравликой.-, она включает в себя гидростатику, изучающую
равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение
жидкостей.
Основы гидродинамики заложены трудами Даниила Бернулли, (1700—1782),
который долгое время работал в Петербургской Академии наук.
Полная энергия некоторого объема воды вгреке состоит из трех слагаемых:
кинетической энергии EK=mv2/2, где m — масса рассматриваемого объема воды;
v — скорость движения воды в реке; потенциальной энергии E'u = mgH, опреде-
ляемой положением массы воды (потенциальной энергией положения). Одна и та
же Масса воды в различных местах русла реки будет иметь различную величину
потенциальной энергии. В точке А (рис. 3.30) потенциальная энергия, равная
mgHi, больше, чем потенциальная энергия в точке В — mgH2 (Hi>H2). Высота
отсчитывается от некоторой горизонтальной поверхности (уровня моря).
Третье слагаемое полной энергии воды—-потенциальная энергия, обусловлен-
ная статическим давлением внутри воды Е"а. Существование статического давле-
ния связано с действием сил тяжести. Так, жид-
кость, находящаяся внутри цилиндра (рис. 3.31),
оказывает давление на жидкость, окружающую
цилиндр. Силы, действующие на боковые стенки
цилиндра, взаимно уравновешивают друг друга.
Сила, приложенная к верхнему основанию Гц оп-
ределяется величиной площади основания и высо-
той столба жидкости над этим основанием. Сила
F2, действующая на нижнее основание, больше си-
лы Fi на величину веса жидкости в цилиндре,
равного mg (m — масса жидкости в условном
цилиндре).
В соответствии с законом Паскаля давление
Рис. 3.30. Изменение вы-
соты воды в русле реки
над уровнем моря на разно ориентированные, но находящиеся на
одинаковой глубине площадки, будет одинаковым.
Следовательно, в двух точках, расположенных в жидкости на различной высо-
те, будут различные давления, определяемые высотами точек.
В естественных земных условиях иа свободную поверхность жидкости (по-
верхность реки) давит воздух. Следовательно, давление внутри жидкости скла-
дывается из гидростатического и атмосферного. Давление воды намного больше
давления атмосферного. На глубине 10 м вода давит на 1 см2 с дополнительной
к атмосферному давлению силой в 9,8 Н.
Таким образом, для полной энергии некоторого объема воды
в реке можно написать формулу
Вода при движении оказывает давление на препятствия, встречающиеся на
ее пути; это давление называется динамическим.
При переходе потока жидкости из более широкой трубы в узкую динамиче-
ское давление возрастает, а статическое падает.
Мощность потока воды, протекающего через некоторое сечение — створ, опре-
деляется расходом воды Q, высотой между уровнем воды в верхнем по течению
бассейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по течению бассейне (ниж-
нем бьефе) в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего
бассейнов называется напором
Рис. 3.31. Силы,
действующие на
жидкость
Рис. 3.32. К выводу формулы
мощности потока воды в реке
Если расход Q измерять в м3/с, а напор Н в м, то мощность потока в створе
определяется в кВт:
Р=9,81 QH.
I Последняя формула может быть получена исходя из следующих рассужде-
( ний: пусть вода из верхнего сосуда А стекает по вертикальной трубе в нижний
1 сосуд В (рис. 3.32). Предположим, что уровни воды в сосудах не меняются. Пусть
I за некоторое время At через сечение S прошла вода объемом V и массой Лт=
’ = р1/ (р — плотность воды). Гидростатическое давление воды на сечение S зави-
сит от высоты И и равно pHSg. Работа, совершаемая при перемещении воды
через сечение S за время At, равна произведению силы, действующей на сечение
(P—pHSg), на расстояние At, па которое сместятся частицы воды за время At'.
A=pHSgAl.
Выражая расстояние At через скорость течения воды v и время At (Al=vAt)
и подставляя его в формулу работы, получим
A = pHSgvAt.
Разделим левую и правую части уравнения на время At. Имея в виду, что
Sv = Q, получим приведенную выше формулу
P = pgQH.
Мощность гидростанции тем больше, чем большее количество
воды поступает на лопатки гидротурбины (Q —расход, м3/с) и чем
большее давление (Н— напор, м) она имеет. В двигателях гидро-,
электростанций может быть использована только часть мощности
потока воды в створе, зависящая от ряда условий, отраженных
в к. и. Д. Г).
127
126
Рис. 3.33. Схемы создания напора:
а— с помощью плотины; б — с помощью деривационного канала;
1 — канал, 2 — напорный бассейн, 3 — турбинные водоводы. 4—-зда-
ние ГЭС, 5 — русло реки, 6 — плотина
Мощность станции
P=9,81Q/7t].
“S Для увеличения напора Н создаются искусственные гидротех-
нические сооружения. На равнинных реках напор создается с по-
мощью плотины (рис. 3.33, а).
В горных местностях строят специальные обводные каналы, на-
зываемые деривационными (рис. 3.33, б).
В гидравлических турбинах происходит преобразование энергии
воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина
называется активной, если принцип ее работы основан на исполь-
зовании динамического давления воды, и реактивной, если исполь-
зуется статическое давление при реактивном (см. рис. 3.18) эф-
фекте.
В высоконапорной активной турбине потенциальная энергия
гидростатического давления в суживающейся насадке (рис. 3.34)
полностью превращается в кинетическую энергию движения воды.
Давление на выходе насадки равно атмосферному. Регулирование
Рис. 3.35. Схема работы реак-
тивной турбины
Рис. 3.34. Схема работы высоконапорной ак-
тивной турбины:
1 — сужающаяся насадка, 2 — активная ковшовая тур-
бина
128
Рис. 3.36. Рабочее колесо мощной гидравличе-
ской турбины
поступающей в турбину
воды осуществляется спе-
циальным маховиком. На
крупных станциях такое
регулирование произво-
дится автоматически.
В нашей стране реки
преимущественно равнин-
ные, для которых харак-
терны большие расходы
воды и относительно ма-
лые величины напора. В
таких условиях предпо-
чтительнее использовать
реактивные турбины. В
реактивной турбине вода
по трубе 1, имеющей су-
живающуюся часть, поступает на рабочие лопатки 2 (рис. 3.35).
Суживающаяся часть трубы называется направляющим аппаратом,
в нем происходит частичное преобразование потенциальной энер-
гии воды в кинетическую. Дальнейшее преобразование энергии
производится на рабочих лопатках, где проходное сечение воды
постепенно уменьшается. Для более полного использования энер-
гии воды и более удобного обслуживания турбины давление на ло-
патках уменьшают до величин, меньших атмосферного. За турбиной
устанавливается отсасывающая труба 3, в которой происходит по-
вышение давления до атмосферного за счет увеличения сечения.
В современной гидроэнергетике преимущественно используют-
ся три типа турбин:
1) радиально-осевая турбина (турбина Френсиса). Лопатки ра-
бочего колеса этой турбины имеют сложную кривизну, благодаря
чему вода, поступающая на лопатки с направляющего аппарата,
постепенно меняет направление с радиального на осевое. Число ло-
паток у таких турбин 10—30. Радиально-осевая турбина выпол-
няется на мощности свыше 100 МВт;
2) поворотно-лопастная турбина (турбина Каплана). Рабочее
колесо турбины выполняется в форме винта пропеллера, лопасти
которого в зависимости от нагрузки могут поворачиваться для до-
5 Зак. 1540
Рис, 3.37. Шлюз для прохода судов
130
стиЖения наибольшего к. п. д. Турбина была предложена в 1913 г.
чешским ученым Капланом;
3) ковшовая турбина (турбина Пельтона). Лопатка турбины
выполнена в форме сдвоенного ковша с острым ножом посредине.
В ковшах происходит изменение направления скорости движения
воды на 180°, вследствие чего на лопатки действуют центробежные
силы. Для наиболее полного преобразования энергии воды в меха-
ническую энергию турбины скорость движения лопаток выбирает-
ся такой, что на их выходе абсолютная скорость движения воды
равна нулю. Скорость вращения турбины любого типа
n=nsH¥H[VN,
где ns — коэффициент быстроходности, зависящий от типа турби-
ны и ее конструкции. Наименьшее значение коэффициента ns у ков-
шовых турбин — от 10 до 50; у радиально-осевых турбин в зависи-
мости от конструкции коэффициент находится в пределах от 70 до
400; поворотно-лопастные турбины имеют значения коэффициента
ns от 400 до 1000; Н — напор; N— мощность турбины.
Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красно-
ярской ГЭС и др. Поворотно-лопастными турбинами оборудованы
Куйбышевская и Волгоградская ГЭС, Каховская и Кременчугская
ГЭС и др.
Рабочее колесо мощной гидравлической турбины, установленной
на Асуанской ГЭС, показано на рис. 3.36.
На электрических станциях турбина и генератор связаны общим
валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно.
Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты пе-
ременного тока, которая должна соответствовать стандартной.
Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах
вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы
получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших
напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента
быстроходности, а при небольших напорах — с большими значения-
ми этого коэффициента.
Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС,
определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощ-
ности турбин изменяются от нескольких киловатт до 500 МВт,
а частота вращения изменяется от 16 2/3 до 1500 мин-1.
Рис. 3.38. Поперечные разрезы гидроэлектростанций:
а — русловой станции: / — затвор водосброса, 2 — паз ремонтного затвора, 3 — основной за-
твор турбинного водовода, 4 — генератор, 5 — трансформатор, 6 — аварийный затвор, 7 — тур-
бина; ГВБ— горизонт верхнего бьефа, ГНБ — горизонт нижнего бьефа,-------путь воды;
б — приплотннной станции: / — провода на ОРУ, 2 — плоский затвор, 3 — машинный зал,
4 — генератор, 5 —спиральная камера, 6 — отсасывающая труба, 7 — турбина радиально-осе-
вого типа, 8 — турбинный водовод, 9 — глубинный водоприемник, 10— решетка, // — подъ-
емный механизм щитов
5*
131
В последнее время стали применяться горизонтальнее агрега-
ты (капсульные), в которых генератор заключен в герметичную
капсулу, обтекаемую водой. К. п. д. таких агрегатов выше (95—
96%) благодаря лучшим гидравлическим условиям обтекания. Та-
кими агрегатами оборудованы, например, Киевская и Каневская
ГЭС.
Гидроэлектростанции. При сооружении гидроэлектростанций
обычно решают комплекс задач народного хозяйства, в который по-
мимо выработки электрической энергии входит регулирование сто-
ка воды и улучшение судоходства реки, создание орошаемых мас-
сивов, развитие энергоемких производств, использующих местное
сырье, и т. д.
Для прохода судов устраивают специальные шлюзы, представ-
ляющие собой бетонированные каналы, разделенные рядом ворот
на шлюзовые камеры (рис. 3.37). Если судно движется сверху, то
открывают затвор /ив камеру 3 из камеры 2 впускают воду до тех
пор, пока уровни в камерах 2 и 3 не выравниваются. Затем закры-
вают затвор 4 и понижают уровень в камере 3; судно переходит
в камеру 5 и т. д. до уровня 6. При движении судна снизу уров-
ни воды выравниваются в обратном порядке с помощью мощных
насосов.
На равнинных реках гидроэлектростанции с плотинной схемой
концентрации напора разделяются на два типа: русловые и припло-
тинные. На гидростанциях с напором до 25—30 м здание станции,
как и плотина, воспринимает напор и располагается в русле реки
(рис. 3.38, а). Такие гидроэлектростанции называются русловыми.
Так как с ростом напора увеличивается объем строительных работ
по сооружению зданий русловых гидроэлектростанций, то при на-
порах, превышающих 25—30 м, здание станции помещается за пло-
тиной (рис. 3.38,6). Такие ГЭС называются приплотинными. На
них весь напор воспринимается плотиной.
В настоящее время отечественные гидростроители на равнинных
реках сооружают станции, напор которых достигает 100 м, напри-
мер на Братской ГЭС, построенной на Ангаре, и на Асуанской
станции в Египте, которая проектировалась и строилась под руко-
водством советских специалистов.
На рис. 3.39 показана Волжская ГЭС имени В. И. Ленина, а на
рис. 3.40 приведен проект Саяно-Шушенской ГЭС на р. Енисей, у ко-
торой предполагаемая высота плотины должна составить 240 м и
вода по водоводам будет поступать к 10 турбинам, вращающим
электрические генераторы мощностью по 640 МВт каждый.
Рис. 3.39. Волжская ГЭС имени В. И. Ленина (руслового типа):
а —общий вид; б — разрез: / —верхний бьеф, 2 ~ генераторы, 3 — нижний бьеф; в —срав-
нение ГЭС (объем 4,5 млн. м3) с Исаакиевским собором в Ленинграде (объем 310 тыс. м’)
и Московским Государственным университетом (объем 2,6 млн. м3)
133
Рис. 3.40. Проект Саяно-Шушенской ГЭС на р. Енисей (приплотинного типа) мощностью 6400 МВт
134
§ 3.7. Гидроаккумулирующие электрические станции
f"
Производство электроэнергии на электрических станциях и ее
потребление различными приемниками представляют собой про-
' цессы, взаимосвязанные таким образом, что в силу физических за-
кономерностей мощность потребления электроэнергии в какой-либо
момент времени должна быть в точности равна генерируемой мощ-
ности. 1
При идеальном равномерном потреблении электроэнергии про-
исходила бы равномерная работа определенного количества элект-
ростанций. В действительности работа большинства отдельных
электроприемников неравномерна и суммарное потребление элект-
роэнергии также неравномерно. Можно привести множество при-
меров неравномерности работы установок и приборов, потребляю-
щих электроэнергию. Завод, работающий в одну или две смены,
неравномерно потребляет электрическую энергию в течение суток.
В ночное время потребляемая им мощность близка к нулю. Улицу
и квартиры освещают только в определенные часы суток. Работа
электробытовых приборов, вентиляторов, пылесосов, электричес-
ких печей, нагревательных приборов, телевизоров, радиоприемни-
ков, электробритв также неравномерна. В утренние и вечерние ча-
сы коммунальная нагрузка наибольшая.
График нагрузки некоторого района или города, представляю-
щий собой изменение во времени суммарной мощности всех потре-
I бителей, имеет провалы и максимумы. Это означает, что в одни ча-
сы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а
в другие часы часть генераторов или электростанций должна быть
отключена или должна работать с уменьшенной нагрузкой. Коли-
чество электростанций и их мощность определяются относительно
непродолжительным максимумом нагрузки потребителей. Это при-
водит к недоиспользованию оборудования и к удорожанию энерго-
систем. Так, снижение числа часов использования установленной
мощности крупных ТЭС с 6000 до 4000 ч в год приводит к возрас-
танию себестоимости вырабатываемой электроэнергии на 30—
35%.
Анализ тенденций в потреблении электрической энергии пока-
зывает, что в дальнейшем неравномерность потребления будет уве-
личиваться по мере роста благосостояния населения и связанного
с ним увеличения коммунально-бытовой нагрузки, по мере повы-
шения электровооруженности труда, уменьшения количества ноч-
ных смен. Сокращение числа рабочих дней в неделе также способ-
ствует повышению неравномерности потребления электроэнергии.
Такое положение характерно не только для нашей страны. В боль-
шинстве стран Западной Европы неравномерность в потреблении
электроэнергии такова, что в течение часа изменение нагрузки до-
стигает 30% от максимальной мощности и в перспективе также ожи-
дается увеличение неравномерности. Кардинально изменить харак-
тер потребления электроэнергии очень трудно, так как он зависит
ОТ установившегося ритма жизни людей и ряда не зависящих от
135
людей объективных обстоятельств. Например, нельзя изменить
того факта, что электрическое освещение нужно в вечерние часы
с наступлением темноты.
Энергетики по возможности принимают меры по выравниванию
графика суммарной нагрузки потребителей. Так, вводится диффе-
ренцированная стоимость электроэнергии в зависимости от того,
в какой период времени она потребляется. Если электроэнергия
потребляется в моменты максимумов нагрузки энергосистемы, то
и стоимость ее устанавливается выше. Это повышает заинтересо-
ванность потребителей в таких перестройках своей работы, кото-
рые бы способствовали уменьшению электрической нагрузки в мо-
менты максимумов потребления в энергосистеме. В целом возмож-
ности выравнивания потребления электроэнергии невелики. Следо-
вательно, электроэнергетические системы должны быть достаточно
маневренными, способными быстро изменять мощность электро-
станций.
В промышленно развитых странах большая часть электроэнер-
гии (80%) вырабатывается на тепловых электростанциях, для ко-
торых наиболее желателен равномерный график нагрузки. Агрега-
ты тепловых станций плохо приспособлены к регулированию мощ-
ности. Обычные* паровые котлы и турбины на этих станциях до-
пускают изменение нагрузки всего лишь на 10—15%.
Периодические включения и отключения тепловых станций не
позволяют решить задачу регулирования мощности из-за большой
продолжительности этих процессов. На запуск тепловой станции
в лучшем случае требуются часы. Кроме того, работа крупных теп-
ловых станций в резко переменном режиме нежелательна вследст-
вие повышенного расхода топлива, повышенного износа теплоси-
лового оборудования и, следовательно, снижения его надежности.
Нужно учесть также, что ТЭС с высокими параметрами пара име-
ют некоторые минимальные технически возможные мощности, со-
ставляющие 50—70% от номинальной мощности оборудования. Все
сказанное относится не только к обычным ТЭС, но и к атомным
электрическим станциям. Поэтому в настоящее время и в ближай-
шем будущем дефицит в маневренных мощностях («пики» нагруз-
ки) покрывается ГЭС, у которых набор полной мощности с нуля
может быть произведен за 1—2 мин. Однако в европейской части
СССР степень использованных экономически эффективных гидро-
энергоресурсов уже превысила 40%. Оставшаяся неиспользованной
часть ресурсов относится к периферийным районам и небольшим
водотокам.
Регулирование мощности ГЭС производится следующим обра-
зом. В периоды времени, когда в системе имеются провалы нагруз-
ки, ГЭС работают с незначительной мощностью и вода заполняет
водохранилище. При этом запасается энергия. С наступлением пи-
ков включаются агрегаты станции и увеличивается на необходимую
величину их мощность.
* В настоящее время создаются тепловые агрегаты, которые должны позво-
лить осуществлять регулирование нагрузки в гораздо более широких пределах.
136
Накапливание энергии
в водохранилищах на
равнинных реках приво-
дит к затоплению об-
ширных территорий, что
во многих случаях край-
не нежелательно. Неболь-
шие реки малопригодны
для целей регулирования
мощности в системе, так
как они не успевают за-
полнить водой водохра-
нилище.
Упомянутую выше за-
дачу (снятие пиков) ре-
шают гидроаккумули-
, рующие станции (ГАЭС),
/ работающие следующим
I образоьгъ (рис. 3.41).
В интервалы времени,
когда электрическая на-
, грузка в объединенных
ь системах минимальна,
I ГАЭС перекачивает воду
f из нижнего водохранили-
ща в верхнее и потребля-
ет при этом электро-
Рис. 3.41. Гидроаккумулирующая станция:
а—схема станции: 1 — верхний бассейн, 2 — водовод,
3—здание ГАЭС, 4— нижний бассейн; б — компонов-
ка агрегатов станции четырехмашинная; в — трехма-
шннная; г — двухмашинная
энергию из системы (рис. 3.41, а). В режиме непродолжительных
«пиков» — максимальных значений нагрузки — ГАЭС работает
. в генераторном режиме и расходует запасенную в верхнем водохра-
нилище воду.
В европейской части СССР возможно сооружение до 200 ГАЭС.
В энергосистемах, расположенных в центральной, северо-западной
и южной частях, где имеется наибольший дефицит маневренной
мощности, естественные перепады рельефа позволяют сооружать
станции с небольшим напором (80—ПО м).
Районы с благоприятным для сооружения ГАЭС рельефом местности, позво-
ляющим получать перепады порядка 1000 м, значительно удалены от центров
потребления маневренной мощности. Сооружение линий электропередач в этих
случаях может привести к затратам, превышающим затраты на сооружение
I АЭС.
У первой в Советском Союзе экспериментальной Киевской ГАЭС мощностью
225 МВт напор равен 70 м. Проводимые на этой станции исследования способст-
вуют отработке более совершенных конструктивных решений для последующих
мощных промышленных станций такого типа.
В настоящее время под Загорском сооружается ГАЭС мощностью 1200 МВт
с обратимыми агрегатами. Предполагается, что эта станция будет 4 ч в сутки
работать в генераторном режиме и около 5 ч — в двигательном режиме. В осталь-
ное время станция может работать в режиме синхронного компенсатора.
Разработан проект еще более мощной Каунасской ГАЭС (мощностью
1600 МВт). Ведется проектирование Ленинградской и ряда других ГАЭС.
137
С вводом в эксплуатацию мощных АЭС (мощностью более 1000 МВт) значе-
ние ГАЭС возрастает, так как АЭС наиболее экономично работают с постоянной
нагрузкой и ГАЭС должны брать на себя все ее изменения.
К наиболее крупным ГАЭС относятся Лорх-на-Рейне (ФРГ) — 2400 МВт,
Корнуэлл (США) — 2000 МВт, Лох-Ламонд (Англия) — 1200 МВт.
Мощность ГАЭС зависит от расхода воды и напора. При ограниченном объ-
еме верхнего бассейна увеличение мощности может быть получено за счет боль-
шого напора. Поэтому горные районы удобны для сооружения ГАЭС. Например,
огромную величину напора (около 1800 м) имеет ГАЭС Рейссек в Австрии. Там,
где это возможно, стремятся использовать в качестве верхнего бассейна естествен-
ные водоемы. Например, в Англии для ГАЭС Лох-Ламонд используется высоко-
горный пруд. В Японии построена ГАЭС Нумацаванума с верхним бассейном
в виде кратерного озера.
Сооружение искусственных бассейнов сопряжено со значитель-
ными объемами работ и затратами больших средств. Кроме того,
существует опасность утечки воды из верхнего бассейна, которая
даже в небольшом количестве (порядка нескольких процентов) за-
метно снижает к. п. д. станции. Поэтому приходится принимать
тщательные меры по гидроизоляции. В последнее время для этих
целей стали применять синтетические материалы, например поли-
этиленовые пленки, которыми покрывают дно и откосы бассейнов.
Искусственные верхние бассейны обычно выполняют в виде полу-
сфер, добиваясь тем самым максимального объема при наимень-
шей площади дна и, следовательно, при минимальных объемах
строительных работ.
Эксплуатация ГАЭС в зимних уЪювиях сопряжена со сложно-
стями, обусловленными образованием льда. Уровень воды в верх-
нем бассейне, глубина которого обычно более 10 м, колеблется
в больших пределах, так как вода в нем порой «срабатывается»
полностью. При понижении уровня воды до 1—2 м в морозные дни
за несколько часов происходит ее замерзание. Так как лед легче
воды, то при наполнении водой бассейна он стремится всплыть и
потянуть за собой примерзшие бетонные плиты дна. Опасно также
образование льда и при заполненном бассейне. В этом случае с
понижением уровня воды отваливается примерзший к откосу лед,
который разрушает защитную облицовку бассейна.
Воду в верхнем бассейне можно подогревать, используя теплую
воду конденсаторов тепловой станции. Близко расположенные
ГАЭС и ТЭС удачно сочетаются друг с другом. ГАЭС генерирует
электроэнергию в часы «пик», а бассейн-охладитель ТЭС стано-
вится нижним бассейном ГАЭС и из него в верхний бассейн пере-
качивается только теплая вода.
Водоводы ГАЭС, по которым вода из верхнего бассейна подво-
дится к турбинам, не должны вызывать большие потери энергии.
Наиболее удобны туннельные водоводы большого диаметра, по-
крытые изнутри бетоном или металлом. Число водоводов должно
быть не меньше двух, так как в случае ремонта одного из них стан-
ция сможет работать по другому. Использование металлических
труб в качестве водоводов менее желательно из-за больших потерь
на трение о стенки, поскольку трубы могут быть выполнены отно-
138
сительно небольшого диаметра и их приходится прокладывать
в большом количестве.
На первых ГАЭС для выработки электроэнергии использовали
турбины Т и генераторы Г, а для перекачки воды в верхний бас-
сейн— электрические двигатели Д и насосы Н (рис. 3.41,6). Такие
станции называли четырехмашинными, по числу устанавливаемых
машин. В силу независимости работы генератора и насоса иногда
четырехмашинная схема оказывается экономически наиболее вы-
годной.
Например, в Швейцарии на ГАЭС Гримзель генераторы расположены на
одной реке, а насосы — на другой реке, протекающей выше. При этом на перека-
чивание воды в верхний бассейн затрачивается меньше энергии, чем получается
при срабатывании воды в турбинах.
Сокращение числа машин существенно снижает стоимость ГАЭС и открывает
перспективы для их широкого применения. Объединение функций генератора и
двигателя в одной машине привело к трехмашинной компоновке станций
(рис. 3.41, в). В различных странах мира построены десятки таких станций. На-
пример, в ФРГ в 1958 г, построена станция Гессштахт мощностью 130 МВт;
в Англии в 1961 г. — станция Фестиниог мощностью 300 МВт.
ГАЭС стали особенно эффективными после появления обрати-
мых гидротурбин, выполняющих функции и турбин, и насосов
(рис. 3.41,г). Количество машин в этом случае сведено к миниму-
му— к двум. Однако станции с двухмашинной компоновкой имеют
более низкое значение к. п. д. из-за необходимости создавать в на-
сосном режиме примерно в 1,3—1,4 раза больший напор на преодо-
ление трения в водоводах. В генераторном режиме величина напо-
ра меньше из-за трения в водоводах. Для того чтобы агрегат оди-
наково эффективно работал как в генераторном, так и в насосном
режимах, можно в насосном режиме увеличить его частоту вра-
щения. Применение разных частот вращения в обратимых генера-
торах привело к усложнению и удорожанию их конструкции.
К. п. д. агрегата можно повысить также, не изменяя частоты
вращения в насосном режиме, а устанавливая в этом режиме более
крутой угол наклона лопастей турбины.
При реверсивной работе агрегатов возникает ряд технологиче-
ских и эксплуатационных трудностей, например связанных с ох-
лаждением. Предназначенные для охлаждения вентиляторы успеш-
но работают только при одном направлении вращения.
Перспективы применения ГАЭС во многом зависят от их к. п. д.,
под которым применительно к этим станциям понимается отноше-
ние энергии, выработанной станцией в генераторном режиме, к
энергии, израсходованной в насосном режиме.
Первые ГАЭС в начале XX в. имели к. п. д. не выше 40%, у сов-
ременных ГАЭС к. и. д. составляет 70—75°/о. К преимуществам
ГАЭС кроме относительно высокого значения к. п. д. относится
также и низкая стоимость строительных работ. В отличие от обыч-
ных ГЭС здесь нет необходимости перекрывать реки, возводить вы-
сокие плотины с длинными туннелями и т. п. Ориентировочно на
1 кВт установленной мощности на крупных речных ГЭС требуется
139
10 м3 бетона, а на крупных ГАЭС — всего лишь несколько десятых
кубометра бетона.
ГАЭС и ветровые электростанции, отличающиеся непостоянст-
вом работы, удачно сочетаются между собой. При этом трудно
рассчитывать на мощность ветровых станций в часы «пик» в энер-
госистеме. Если же вырабатываемую на этих станциях электро-
энергию запасать на ГАЭС в виде воды, перекачиваемой в верхний
бассейн, то в нужное время выработанная на ветровых электро-
станциях за какой-либо промежуток времени энергия может быть
использована в системе.
Преимущества ГАЭС способствуют их широкому распростра-
нению.
Механические установки, аккумулирующие энергию. Выше говорилось о рабо-
те ГАЭС, имеющих водохранилища, в которые ночью накачивается вода. Днем ее
спускают на турбины, и накопленная энергия расходуется. Однако, для того
чтобы в пиковые часы потребления электроэнергии сеть смогла справляться с на-
грузкой, предлагают запасать энергию в супермаховиках.
Супермаховик — это маховик, который можно разгонять до огромной скоро-
сти, не боясь его разрыва. Он состоит из концентрических колец, навитых из
кварцевого волокна и насаженных друг на друга с небольшими зазорами, запол-
ненными эластичным веществом типа резины для предохранения обода от рас-
слоения. Супермаховик соединен с валом генератора и помещен в герметичный
корпус, в котором поддерживается вакуум. Устройство работает как генератор,
когда возрастает потребление энергии в системе, и как электродвигатель, когда
энергию целесообразно аккумулировать. По некоторым расчетам, затраты на
1 кВт будут в этом случае меньше, чем при гидроаккумулировании. Описан
проект супермаховика весом 1,96 МН и диаметром 5 м, в котором предусматри-
вается накопление энергии до 20 МВт-ч. Рибочая частота вращения супермахови-
ка — 3500 мин-1.
На рис. 3.42 показан проект установки с аккумулирующим энергию суперма-
ховиком.
Рис. 3.42. Схема агрегата, аккумулирующего ме-
ханическую энергию:
1—супермаховик, 2 — мотор-генератор, 3— подшипник,
4 — камера супермаховика
140
§ 3.8. Приливные электрические станции
Энергия морских приливов, или, как говорят иногда, «лунная
энергия», известна человечеству со времен глубокой древности. Эта
энергия еще в далекие исторические эпохи использовалась для при-
ведения в движение различных механизмов, в особенности мель-
ниц. В Германии с помощью энергии приливной волны орошали
поля, в Канаде — пилили дрова. В Англии приливная водоподъем-
ная машина служила в прошлом веке для снабжения Лондона во-
дой.
Существует огромное количество остроумных проектов прилив-
ных технических установок. Только во Франции к 1918 г. было
опубликовано более 200 таких патентов. В начале XX в. предпри-
нимались попытки сооружения мощных приливных электростанций.
В США в 1935 г. было начато строительство ПЭС Кводди мощно-
стью 200 тыс. кВт. Вскоре строительство, на которое ушло 7 млн.
долл., было прекращено из-за выявившейся высокой стоимости
электроэнергии (на 33% больше стоимости на тепловой станции).
По составленному в 1940 г. в СССР проекту, Кислогубская ПЭС
вырабатывала бы электроэнергию стоимостью в 2 раза большей,
чем у речных электростанций.
ПЭС выгодно отличаются от речных тем, что их работа опреде-
ляется космическими явлениями и не зависит, как у речных, от
многочисленных случайных погодных условий.
Наиболее существенный недостаток ПЭС — неравномерность
их работы. Неравномерность приливной энергии в течение лунных
суток и лунного месяца, отличающихся от солнечных, не позволяет
систематически использовать ее в периоды максимального потреб-
ления в системах. Можно компенсировать неравномерность работы
ПЭС, совместив ее с ГАЭС. В то время, когда имеется избыточная
мощность ПЭС, ГАЭС работает в насосном режиме, потребляя эту
мощность и перекачивая воду в верхний бассейн. Во время спадов
в работе ПЭС ГАЭС работает в генераторном режиме, выдавая
электроэнергию в систему. В техническом отношении такой проект
хорош, но дорогостоящ, так как требуется большая установленная
мощность электрических машин.
ПЭС также может удачно сочетаться с речной ГЭС, имеющей
водохранилище. При совместной работе этих станций ГЭС увели-
чивает свою мощность при спаде мощности ПЭС и ее остановке;
в то время как ПЭС работает с достаточно большой мощностью,
ГЭС запасает воду в водохранилище. Таким образом, может быть
выравнена как суточная, так и сезонная неравномерность работы
ПЭС.
ПЭС работают в условиях быстрого изменения напора, поэтому
их турбины должны иметь высокие к. п. д. при переменных напо-
рах. В настоящее время создана достаточно совершенная и ком-
пактная горизонтальная турбина двойного действия. Электрический
генератор и часть деталей турбины заключены в водонепроницае-
мую капсулу, и весь гидроагрегат погружен в воду. Поворотные ло-
141 *
пасти рабочего колеса турбины обеспечивают высокое значение
к. п. д. при различных напорах начиная с 0,5 м.
Гидроагрегат может работать как в генераторном, так и в на-
сосном режимах. При выключенном генераторе гидроагрегат может
осуществлять прямой перепуск воды из моря в бассейн и обратно;
в насосном режиме он может осуществлять перекачивание воды из
моря в бассейн и тем самым увеличивать напор воды.
С созданием обратимых поворотно-лопастных турбин появилась
возможность изменения режима работы ПЭС и большего ее при-
способления к режиму потребления электроэнергии. При совпаде-
нии моментов полной (малой) воды с избытком мощности в систе-
ме, что обычно бывает в ночные часы, агрегат работает как насос,
.перекачивая воду из моря в бассейн и увеличивая тем самым уро-
вень воды в нем (откачивая воду из бассейна в море). Спустя не-
сколько часов, в дневное «пиковое» время, агрегат будет работать
в генераторном режиме и выдавать в систему ценную дополнитель-
но запасенную, энергию.
Во Франции построены две ПЭС: экспериментальная в Сен-
Мало мощностью 9 МВт и в устье реки Ране мощностью 240 МВт,
у которой длина плотины равна 700 м.
Возможности широкого строительства ПЭС в СССР изучаются
на примере опытной станции на Кольском полуострове. Высота
приливной волны на побережье Белого моря составляет 2—6 м.
В восточной части Мезенского залива, расположенного в Белом мо-
ре, высота приливной волны достигает 9 м. Если в этом районе со-
орудить ПЭС путем отсечения всей восточной части Мезенского
залива с помощью плотины длиней около 100 км и средней высотой
около 15 м, то в ней может быть установлено 2 тыс. турбин общей
мощностью 14 ГВт. Такая грандиозная ПЭС смогла бы совместно
с речными ГЭС гарантировать бесперебойную работу Единой энер-
госистемы страны. При этом ТЭС работали бы в наиболее благо-
приятном для них режиме постоянной нагрузки.
Для сооружения ПЭС удобен Лумбовский залив, расположен-
ный на Мурманском побережье. Этот залив площадью 70 км2 мо-
жет быть отсечен от моря плотиной длиной 5 км. Высота приливной
волны в заливе достигает 7,2 м. На Лумбовской ПЭС можно было
бы в год получать примерно 1 ТВт-ч электроэнергии. Совмещение
работы Лумбовской ПЭС с работой ГЭС, расположенных на Коль-
ском полуострове, позволило бы иметь достаточно надежный ис-
точник электроэнергии. Однако пока экономические показатели не
стимулируют начало такого рода строительства в широком мас-
штабе.
В последнее время сделан ряд предложений, касающихся соз-
дания волновых электростанций. В Швеции получен патент на изо-
бретение, позволяющее использовать электроэнергию волн морей и
крупных озер. Идея, на которой основано изобретение, проста. Если
на шест прикрепить пропеллер и ритмично двигать его в воде вниз
-и вверх, то он будет вращаться. Если прикрепить верхнюю часть
•шеста к поплавку и заменить движение руки движением колыхаю-
112
щейся волны, то результат бу-
дет тот же. Роль поплавка вы-
полняет огромный плавающий
бак с электрогенератором
внутри. Генератор 1 приводит-
ся в движение водой, нагнета-
емой насосом, который работа-
ет за счет вращения пропел-
лера 2. Испытания опытного
•образца (рис. 3.43) показали,
что новый агрегат может дей-
ствовать не только у морского
побережья, где практически
постоянно происходит волне-
ние воды, но даже на боль-
Рис. 3.43. Волновая электростанция
ших озерах. По мнению изобретателей, такие агрегаты целесооб-
разно соединять последовательно в батареи, создавая таким обра-
зом надежный и дешевый источник электроэнергии достаточно
большой мощности. Разумеется, опыт эксплуатации должен в ка-
кой-то мере подтвердить эти ожидания.
§ 3.9 Атомные электрические станции
Краткие исторические сведения. Историю освоения атомной
энергии и ее практического использования часто исчисляют с от-
крытия в 1896 г. Анри Беккерелем явления радиоактивности (здесь
следует сделать оговорку, что широко применяемые термины «атом-
ная энергия» и «ядерная энергия» по установившейся традиции
применяются как синонимы).
Спустя несколько лет после открытия Беккереля многие ученые
i стали рассматривать атом как потенциальный, практически неис-
черпаемый источник энергии, хотя и не располагали достаточными
знаниями о ее природе. В это время Резерфорд говорил, что если
когда-нибудь удастся осуществить контроль над скоростью рас-
пада радиоактивных элементов, то это позволит получить колос-
сальный источник энергии в форме небольшого сгустка материи.
Однако в последующие годы неудачные попытки извлечь ядер-
ную энергию вызвали разочарование у многих исследователей. Ре-
зерфорд даже назвал идею промышленного использования ядерной
энергии «чепухой».
Прошло еще несколько лет, и физики Отто Ган и Фриц Штрас-
сман, обнаружив, что при бомбардировке тяжелых ядер урана
нейтронами получается барий, вплотную подошли к объяснению
процесса расщепления атомного ядра, сопровождающегося выде-
лением энергии. Реальное использование этой энергии стало делом
времени.
143
Далее ученые во многих странах почти одновременно установили, что при
делении ядра урана испускается более одного нейтрона. Следовательно, каждое
ядро при делении может вызвать деление более, чем одного ядра. т. е. возможна
цепная реакция.
Альберт Эйнштейн в известном письме президенту Рузвельту от 2 августа
1939 г. сообщил, что уран может служить источником создания «исключительно
мощных бомб».
Впервые ядерная энергия атома была превращена в тепло 2 декабря 1942 г.
в Чикаго (США) в лабораторной установке, сооруженной под руководством
итальянского физика Энрико Ферми. Первое испытание атомной бомбы состоя-
лось в США в штате Нью-Мексико 16 июля 1945 г., которое известило мир
о том, что атом вошел в жизнь человека и вошел с уничтожающей силой.
В последующие годы проводились исследования по выявлению возможностей
использования атомной энергии в мирных целях и технической реализации этих
возможностей.
. Использование атомной энергии на электрических станциях.
Первая в мире АЭС была введена в эксплуатацию в г. Обнинске
(СССР) 24 июня 1954 г., о чем сообщило Московское радио. Затем
сообщение об успешно завершенных работах по созданию первой
промышленной электростанции на атомной энергии было передано
зарубежными информационными агенствами, прокомментировано
радио и прессой, воспринято как сенсация.
Однако атомная наука и техника начинались в нашей стране намного рань-
ше. Вот некоторые факты.
29 декабря 1910 г. русский ученый, акад. В. Вернадский в своей речи на
общем собрании Академии наук говорил: «...когда человечество вступает в новый
век лучистой — атомной — энергии, мы ... должны знать, должны выяснить, что
хранит в себе в этом отношении почва нашей родной страны» *. Этот выдающий-
ся исследователь был организатором поисков месторождений урана и тория.
Серьезную правительственную поддержку и развитие эта работа получила,
однако, лишь после Великой Октябрьской революции. В 1918 г. в Академии наук
был образован Радиевый отдел, а позднее — Радиевый институт. 30 июля 1918 г.
В. И. Ленин подписал постановление правительства об ассигновании средств для
организации пробного химического завода по извлечению концентрированных
соединений радия из отечественного сырья. В ноябре 1921 г. Радиевый завод по-
лучил первые высокоактивные препараты радия.
Шли годы. В Советском Союзе были созданы специальные исследовательские
центры, образовалась советская научная школа физиков-ядерщиков. В 1939 г.
советские ученые Я. Зельдович и Ю. Харитон теоретически обосновали возмож-
ность осуществления цепной реакции деления атомного ядра. В 1940 г. физики
К. Петраж и Г. Флеров открыли самопроизвольное деление урана. Эти работы
открывали перед советской наукой путь к управляемой атомной реакции, к атом-
ной энергетике, но на пороге нашей страны стояла вторая мировая война...
Советским ученым пришлось приложить немало сил на создание атомной и
водородной бомбы. Но не они были целью. Организовав за короткий срок атом-
ную промышленность, советские ученые продолжали работу по мирному исполь-
зованию атомной энергии. Уже в 1948 г. началось проектирование энергетических
реакторов. Из большого числа предложенных проектов руководитель атомной
программы акад. И. Курчатов выбрал для начала один — тот самый, который
стал основой для строительства первой АЭС.
Ее создатели отлично понимали: шок в человеческом сознании, вызванный
Хиросимой и Нагасаки, можно преодолеть единственным способом — демонстра-
цией мирных возможностей атомного ядра. Развитие такой сложной научно-тех-
нической отрасли, как атомная энергетика, еще раз убедило человечество, сколь
* Вернадский В. И. Задача Дня в области радия. Петербург. Типогра-
фия Императорской Академии наук, 1911, с. 72.
144
необходимы и полезны ему международное сотрудничество, коо-
перация сил и средств в развитии науки вообще и в этой ее
области в частности. Советский Союз выступал с этих позиций и тогда, когда
сообщил на 1-й Женевской конференции по мирному использованию атомной
энергии об опыте создания и эксплуатации Обнинской АЭС, и тогда, когда зару-
бежным ученым было рассказано о работах по исследованию управляемой термо-
ядерной реакции, и в наши дни, когда заключено более 30 соглашений с разными
странами о сотрудничестве в области атомной энергетики. Советский Союз
делится на взаимных основах результатами исследований, передает данные Меж-
дународному агенству атомной энергии. Помогая развивать атомную энергетику,
Советский Союз оказывает услуги по обогащению урана даже таким развитым
странам, как Франция, Италия, ФРГ н др.
На АЭС энергия, получаемая в результате деления ядер урана
на осколки, превращается в тепловую энергию пара или газа и за-
тем в электрическую энергию, т. е. в энергию движения электронов
в проводнике. Деление ядер урана происходит при бомбардировке
их нейтронами, в результате чего получаются осколки ядер, обычно
неодинаковые по массе, нейтроны и другие продукты деления, ко-
торые разлетаются в разные стороны с огромными скоростями и
имеют, следовательно, большие величины кинетической энергии.
Получаемая при делении ядер энергия почти полностью превра-
щается в тепло. Установка, в которой происходит управляемая цеп-
ная ядерная реакция деления, называется ядерным реактором.
Обычные ТЭС принципиально отличаются от АЭС только тем,
что рабочее тело на них получает тепло в парогенераторах при сжи-
гании органического топлива (на АЭС — в ядерных реакторах). От-
личие этих станций иллюстрируется рис. 3.44 (см. вкл.). Для подо-
грева воды и превращения ее в пар в случае а используется тепло,
получаемое при сжигании угля, а в случае б — тепло, получаемое
с помощью управляемой ядерной реакции деления.
Общий вид современной АЭС показан на рис. 3.45, а. Основной
элемент станции — ядерный реактор — состоит из активной зоны,
отражателя, системы охлаждения, системы управления, регулиро-
вания и контроля, корпуса и биологической защиты.
В рабочие каналы активной зоны помещают ядерное топливо
в виде урановых или плутониевых стержней, покрытых герметичной
металлической оболочкой. В этих стержнях и происходит ядерная
реакция, сопровождаемая выделением большого количества тепла.
Поэтому стержни с ядерным топливом называют тепловыделяю-
щими элементами или сокращенно твэлами. Количество твэлов
в активной зоне может доходить до нескольких тысяч.
В активную зону помещают замедлитель нейтронов, через нее
также проходит теплоноситель, под которым понимают вещество,
служащее для отвода тепла. В качестве теплоносителя используют-
ся обычная вода, тяжелая вода, водяной пар, жидкие металлы, не-
которые инертные газы (углекислый газ, гелий). Теплоноситель
с помощью принудительной циркуляции омывает в рабочих кана-
лах поверхности твэлов, нагревается и уносит с собой тепло для
дальнейшего использования. Активная зона окружена отражате-
лем, который возвращает в нее вылетающие нейтроны.
145
о
CD
<
tn
co
s
CU
»и
146
Мощность энергетического реактора определяется возможно-
стями быстрого отвода тепла из активной зоны. Основная часть
энергии, выделяющейся при ядерной реакции в твэлах, идет на на-
гревание ядерного топлива, а небольшая часть — на нагревание за-
медлителя. Поскольку отвод тепла происходит за счет конвектив-
ного теплообмена, то для повышения интенсивности процесса от-
вода тепла нужно увеличивать скорость движения теплоносителя.
Так, скорость движения воды в активной зоне составляет пример-
но 3—7 м/с, а скорость газов — 30—80 м/с.
Управление реактором производится с помощью специальных
стержней, поглощающих нейтроны. Стержни вводятся в активную
зону и изменяют поток нейтронов, а следовательно, и интенсивность
ядерной реакции.
Тепло, выделяющееся в реакторе, может передаваться рабоче-
му телу теплового двигателя (турбины) по одноконтурной
(рис. 3.45,6), двухконтурной (рис. 3.45, в) и трехконтурной (рис.
3.45, а) схемам.
Каждый контур представляет собой замкнутую систему. Много-
контурная схема обеспечивает радиационную безопасность и соз-
дает удобства для обслуживания оборудования. Выбор числа кон-
туров определяется в зависимости от типа реактора и свойств теп-
лоносителя, характеризующих его пригодность для использования
в качестве рабочего тела в турбине.
При работе АЭС по двухконтурной схеме нагретый в реакторе
теплоноситель отдает тепло рабочему телу в парогенераторе. Если
в качестве теплоносителя используется вода, то она охлаждается
в парогенераторе примерно на 15—40° С. Теплоносители в виде
жидкостей и газов охлаждаются в парогенераторах значительнее,
иногда на несколько сотен градусов.
Первый контур радиоактивен и поэтому целиком находится
внутри биологической защиты. Во втором контуре рабочее тело —
вода и пар — нигде не соприкасается с радиоактивным теплоноси-
телем первого контура, поэтому с ним можно обращаться так же,
как и на обычных тепловых станциях.
В качестве теплоносителя на первой АЭС используется вода
(рис. 3.46). Чтобы в парогенераторе вода первого контура нагре-
вала воду второго контура, превращала ее в пар и при этом сама
не испарялась, используется повышенное давление, при котором
Температура кипения воды повышается *. С увеличением давления
температура кипения воды изменяется следующим образом: при
р== 101,3 кПа значение /‘Кип=100оС, а при р—1013 кПа значение
Гкип=180°С.
В. графитовый замедлитель, установленный на первой АЭС, по-
мещены подвижные кадмиевые стержни-поглотители, которые авто-
матически регулируют процесс распада путем большего или мень-
шего погружения. В теплообменнике используется противоток, что
* Известный из курса физики закон Папена (1680 г.).
147
дает возможность нагревать рабочее тело второго контура до 260° С
и охлаждать воду первого контура до 130° С.
Мощность первой АЭС равна 5 МВт, а к. п. д. — 16%. Относи-
тельно небольшое значение к. п. д. объясняется тем, что исполь-
зуется пар с низкими параметрами: температурой Л = 260° С и дав-
лением р = 1,27 МПа.
Рис. 3.46. Схема первой АЭС:
1— графитовый замедлитель, 2 — стержни реактора, 3 — кольце-
вой коллектор, 4— подогреватель, 5 — парогенератор, 6 — паро-
перегреватель, 7 —турбина, 8 — конденсатор, 9— насос второго
контура, 10 — компенсатор, // — насос первого контура, 12 —
стальной кожух, /3 — графитовый отражатель, 14 — бетонная за-
щита
Опыт сооружения и эксплуатации первой АЭС позволил перей-
ти к созданию экономически эффективных мощных АЭС, в которых
параметры рабочего тела доведены до величин такого же порядка,
как и на современных ТЭС. В 1964 г. в Свердловской области по-
строена Белоярская АЭС им. И. В. Курчатова, на которой исполь-
зуется пар при давлении 9,12 МПа и температуре 4504-530° С; мощ-
ность ее равна 100 МВт.
Упрощенная схема электростанции приведена на рис. 3.47, где
перегрев пара производится в реакторе, что дает возможность по-
лучать высокие температуры пара.
Биологическая защита выполняет функции изоляции реактора
от окружающего пространства, для того чтобы в него не проникли
мощные потоки нейтронов, а-, р-, у-лучи и осколки деления.
Защита реактора выполняется в виде толстого слоя (до нес-
кольких метров) бетона с внутренними каналами, по которым цир-
кулирует вода или воздух для отвода тепла. Количество этого теп-
ла составляет 3—5% от всей выделенной в реакторе энергии. Из-за
относительно низкой температуры оно в дальнейшем не исполь-
зуется,
148
Защита должна ограничивать как при работе реактора, так и
при его остановке уровни излучений до величин, не превышающих
допустимых доз. Биологическая защита, в первую очередь, пред-
назначается для создания безопасных условий работы обслужива-
ющего персонала. Поэтому все излучающие устройства (весь пер-
вый контур) помещаются внутри защитной оболочки.
Рис. 3.47. Схема мощной АЭС:
1 — насос первого контура, 2 — уран-графитовый реактор, 3 —
коллектор, 4 — сепаратор, 5 — парогенератор, 6 — турбина,
7 — конденсатор, 8 — насос второго контура, 9 — водоподогре-
ватель
Биологическая защита выполняется двумя способами:
1) реактор и первый контур со всеми обслуживающими агре-
гатами находятся внутри защитного устройства и недоступны для
обслуживания персонала;
2) реактор находится в более толстом защитном устройстве,
а остальная часть линии первого контура — в другом, частично за-
щищенном помещении, которое после остановки реактора доступ-
но для обслуживания.
Воспроизводство ядерного горючего. Цепная реакция деления
ядер может быть получена с помощью изотопа урана 235U.
В природе встречаются два изотопа урана*: 235U и 238U — в су-
щественно неодинаковом количестве. Запасы 238U составляют 99,3%
от общих запасов урана, a 23SU — всего лишь 0,7%.
Ядро 235U чрезвычайно неустойчиво и делится при попадании
в него нейтронов любых энергий. Ядро 238U устойчиво и делится
только при попадании быстрых нейтронов (обладающих большой
энергией). Выделение нейтронов при делении 23SU невелико, и вы-
звать цепную реакцию этого изотопа урана невозможно.
В- созданной в 1939 г. советскими физиками Я. Б. Зельдовичем
и Ю. Б. Харитоном теории цепной ядерной реакции показано, что
протекание самоподдерживающегося цепного ядерного процесса
возможно в том случае, когда коэффициент размножения нейтро-
нов k больше единицы или равен единице: k~^\ (k — отношение
* Под изотопами понимают ядра с одинаковыми зарядами, т. е. одинаковыми
числами протонов.
149
числа нейтронов, вызывающих деление, в данном и предыдущих
поколениях). Если £=1, то цепная реакция протекает при посто-
янной мощности; если k>\, то мощность реакции нарастает. Коэф-
фициент размножения определяется числом вторичных нейтронов,
возникающих в одном акте деления, вероятностями различных
взаимодействий (приводящих и не приводящих к делению) ней-
тронов с ураном и примесями, а также конструкцией и размерами
установки. Продолжительность жизни одного поколения равна
промежутку времени между двумя последовательными актами де-
ления.
Не все нейтроны образуются в момент деления ядра. Часть их
(примерно 1 %) возникает из осколков ядер с запаздыванием, дости-
Рис. 3.48. Урановый цикл размножения на быстрых нейтронах
гающим нескольких секунд. При £=1,005 скорость протекания цеп-
ной реакции обусловливается этими запаздывающими нейтронами.
Запаздывающие нейтроны имеют важное значение для осуществле-
ния управляемой цепной реакции деления ядер тяжелых элемен-
тов, так как они позволяют получать медленный рост интенсивно-
сти цепной реакции.
Вероятность захвата нейтронов ядрами в значительной степени зависит от
скорости нейтронов. По аналогии с определением вероятности попадания в сече-
ние выделенной фигуры, которая возрастает с увеличением площади сечения,
вероятность захвата ядром нейтрона характеризуется величиной сечения захвата.
Непосредственно в момент деления ядер урана скорость нейтронов примерно
равна 20 000 км/с, при этом сечение захвата нейтронов у 235Н мало. Поэтому
нейтроны необходимо замедлить, пропустив их через вещество из легких элемен-
тов, не поглощающих нейтроны, — воду, тяжелую воду, графит, бериллий.
При скорости нейтронов о = 30 км/с наступает резонансный захват нейтронов
ядрами урана 233U, которые образуют плутоний 239Ри, сходный по своим ядерным
характеристикам с 233U. Дальнейшее уменьшение скорости нейтронов вызывает
уменьшение сечения захвата у 238U и увеличение его у 235U. Нейтроны, имеющие
скорости около 2 км/с, называются тепловыми. Сечение захвата тепловых нейтро-
150
нов у 23SU в 20 000 раз больше, чем у 23SU. Тепловые нейтроны могут вызывать
цепную реакцию у природного (необогащешюго) урана.
При делении одного ядра урана выделяется 200 МэВ энергии, причем 1 эВ —
такая энергия, которую получает частица с зарядом, равным заряду электрона
при прохождении разности потенциалов в 1 В: 1 эВ=1е-1В=1,6-10-12 эрг=
=4,45-10-26 кВт-ч, 1 эВ — основная единица измеренения энергии в ядерной и
атомной физике.
В 1 г урана содержится 2,6-1021 ядер, при делении которых может быть по-
лучено 23,2 МВт-ч энергии. При сжигании 1 г угля получается всего лишь
7—8 Вт-ч энергии.
Рис. 3.49. Общий вид реактора на быстрых нейтронах
При захвате нейтронов ядрами 238U и 232Th образуется 239Рц и 233U, способные
создавать цепные реакции деления и, следовательно, рассматриваемые как ядер-
ное топливо. Такое ядерное топливо получают в специальных реакторах-размно-
жителях.
В ‘ядерной физике «размножителем» называют реактор, который на 1 атом
сожженного топлива производит свыше одного расщепляющегося атома. Изотопы
232Th и 239U называют воспроизводящими. Деление одного ядра 235U в среднем со-
провождается выделением 2,5 нейтрона, из которых 1 необходим для поддержа-
ния цепной реакции, а остальные 1,5 используются для поглощения неделящи-
мися ядрами.
Урановый цикл размножения в реакторе-размиожителе на быстрых нейтронах
показан на рис. 3.48. В 1973 г. в СССР в г. Шевченко начала работать первая
в мире промышленная АЭС иа быстрых нейтронах. Общий вид ее реактора мощ-
ностью 350 МВт показан на рис. 3.49.
На рис. 3.50 приведен Ториевый цикл размножений в тепловом реакТоре-раз-
Множителе.
По предварительным прогнозам, имеющихся в природе делящихся веществ
хватит на десятилетия, а воспроизводящих веществ при применении реакторов-
размножителей — на столетия и возможно тысячелетия.
Реакторы-размножители целесообразно выполнять с использованием быстрых
нейтронов, которые поглощаются воспроизводящими ядрами в значительно боль-
шем количестве, чем медленные «тепловые» нейтроны.
Рис. 3.50. Ториевый цикл размножения на тепловых нейтронах
В качестве теплоносителей для реакторов-размножителей не используют воду,
так как она замедляет движение нейтронов. Удобно использовать такие теплоно-
сители, как жидкий натрий или гелий. ~
Большой интерес представляет разрабатываемый в настоящее время в США
реактор-размножитель с теплоносителем в виде расплавленной соли. Особенность
реактора состоит в том, что в нем нет традиционных твэлов. Делящийся мате-
риал (ядерное топливо) растворено в соли и участвует в переносе тепла к тепло-
обменнику, циркулируя по замкнутому контуру. В этом реакторе предусматри-
вается непрерывное удаление продуктов деления ядер.
Перспективы развития атомных электростанций. Ни одна от-
расль техники так бурно не развивалась, как атомная энергетика.
Толька в 1954 г. в Советском Союзе в г. Обнинске была пущена
в эксплуатацию первая в мире АЭС, а уже 1 января 1972 г. в мире
насчитывалось 100 АЭС общей мощностью более 30 ГВт. Обычным
электростанциям потребовалось почти 100 лет, чтобы пройти такой
же путь развития.
Доля атомной энергетики в производстве электроэнергии
в перспективе будет возрастать. Предполагается, что в ближай-
шие 10 лет мощности атомных электрических установок в мире
достигнут 500 ГВт. Эта цифра условная, и мнения ведущих специа-
листов в различных странах сильно расходятся в отношении коли-
152
чественной оценки перспектив развития атомной энергетики. Но су-
ществует почти единодушное убеждение в том, что развитие атом-
ной энергетики будет происходить необычайно быстрыми темпами
и в широких масштабах.
Бурному развитию этой отрасли энергетики способствует также
разразившийся в западных странах энергетический кризис, выз-
ванный хищнической капиталистической эксплуатацией природных
ресурсов органического топлива в развивающихся странах.
Несмотря на то что в мировой практике уже накоплен большой
опыт строительства и эксплуатации АЭС и ведутся интенсивные
научно-исследовательские работы в этой области, пока неясно,
каким путем и на базе каких атомных реакторов будет осуществ-
ляться основной рост атомной энергетики.
Оценивая перспективу развития атомной энергетики за преде-
лами 2000 г., приходится учитывать, что запасы урановой руды
не беспредельны, и поэтому нужно заботиться о лучшем их исполь-
зовании.
Реакторы, работающие на медленных нейтронах — водо-водя-
ные, кипящие водяные, газографитовые, уран-графитовые, тяжело-
водяные и др., — не позволяют наиболее эффективно использовать
ядерное горючее. Реакторы на быстрых нейтронах обладают воз-
можностью воспроизводства ядерного горючего с коэффициентом
воспроизводства, достигающим 1,4 и выше, и временем удвоения
ядерного горючего менее 10 лет. Но все же это время пока велико.
Требуется 8—10 лет, чтобы реактор на быстрых нейтронах смог
выработать плутоний, необходимый для построения такого реак-
тора.
Один из важных вопросов ядерной энергетики состоит в выборе
природного или обогащенного урана. В СССР применяется обога-
щенный уран, так как это позволяет получить лучшее использова-
ние ядерного горючего — более полное его выжигание — и осу-
ществить более широкий выбор конструкционных материалов, за-
медлителей нейтронов и теплоносителей.
Различные типы реакторов отличаются материалами, исполь-
зуемыми в качестве замедлителя и теплоносителя. Так, в уран-гра-
фитовом реакторе замедлитель — графит, теплоноситель — обыч-
ная вода; в газографитовом реакторе замедлитель — графит, теп-
лоноситель — углекислый газ.
В результате анализа работы реакторов различных типов, про-
ведения многочисленных экспериментов и широкой дискуссии в Со-
ветском Союзе выбраны три типа реакторов: водо-водяные под
давлением, уран-графитовые канального типа и на быстрых нейт-
ронах, предназначенные для сооружений АЭС.
Уменьшение типов реакторов вызвано потребностями промыш-
ленности, так как способствует удешевлению их изготовления и
улучшению качества.
В экономическом отношении различные типы реакторов на мед-
ленных нейтронах незначительно различаются между собой. Бур-
ное развитие атомной энергетики вызвано ее преимуществами по
153
сравнению с другими способами выработки энергии. Назовем ос-
новные из них:
1) атомные электростанции почти не зависят от месторасполо-
жения источников сырья вследствие компактности ядерного топли-
ва и легкой его транспортировки. Однако для охлаждения АЭС не-
обходим мощный источник воды (морской или пресной). Поэтому
АЭС, так же как и ТЭС, зависят от источников воды;
2) сооружение мощных энергетических блоков имеет благопри-
ятные перспективы, так как с одного реактора можно получить
электрическую мощность порядка 2 ГВт;
3) малый расход горючего не требует загрузки транспорта;
4) атомные электростанции практически не загрязняют окру-
жающую среду.
Внедрение новой техники в ряде случаев встречает трудности,
вызванные необходимостью менять традиционные представления,
некоторой осторожностью в оценке преимуществ этой техники,
преувеличением опасностей, которые могут возникнуть. Показате-
лен в этом отношении пример острой дискуссии и борьбы, которая
развернулась в 80-е годы прошлого столетия в другой области тех-
ники — области передачи энергии. Постоянным током предлагал
передавать и распределять электроэнергию Т. Эдисон, а перемен-
ным током — Д. Вестингауз, Н. Тесла и С. Штейнметц. Обе сторо-
ны вели активную компанию пропаганды своих технических реше-
ний по всей Америке. Дело чуть было не дошло до суда (Вестин-
гауз намеревался подать на помощников Эдисона в суд). Спор
решился в пользу системы переменного тока, которая действитель-
но оказалась совершеннее.
Надежность АЭС. В связи с широким строительством АЭС воз-
никают естественные вопросы о безопасности их работы и о воз-
можных вредных влияниях этих станций на человека и в первую
очередь о влиянии радиоактивныхлзлучений.
Радиоактивное излучение опасно. Принятое в больших дозах,
оно может вызвать заболевание и даже смерть людей. Воздействие
радиоактивного излучения на людей и животных в настоящее вре-
мя достаточно хорошо изучено. Вследствие пристального внимания
к радиоактивному излучению и постановки многочисленных экспе-
риментов влияние излучения на экологию изучено гораздо больше,
чем влияние синтетических соединений и некоторых других факто-
ров.
Глубокое изучение воздействия на человека радиоактивного
излучения необходимо для определения максимально допустимых
доз облучения. Исследованиями установлено, что последствия при
ионизирующем облучении мощными дозами в течение относительно
короткого времени более ощутимы, чем при «хроническом» облу-
чении небольшими дозами в течение длительного времени.
Ионизирующее облучение человека оказывает соматическое
(от греческого слова, означающего «тело») и генетическое дейст-
вия. Заметный клинический эффект возникает при мощном облу-
чении примерно в 0,2 Дж/кг в течение короткого времени. Дли-
154
'»
тельное хроническое облучение может повысить статистическую
вероятность таких клинических последствий, как заболевание
раком и другими болезнями.
При обследовании большой группы людей, подвергавшихся
хроническому облучению, установлено сокращение продолжитель-
ности жизни (примерно на 1 день на каждые 0,01 Дж/кг облуче-
ния). По американским данным, сокращение жизни населения
страны из-за облучения радиоактивными отходами, выбрасывае-
мыми АЭС, составляет продолжительность, меньшую 0,1 с.
Гораздо больший вред и большее сокращение жизни происхо-
дит из-за загрязнения среды при сжигании органического топлива
на ТЭС и других промышленных объектах.
Генетические последствия облучения не вызывают сомнений.
Однако ученые не располагают пока объективными результатами.
Обследование специально созданной комиссией людей, выживших
после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, и их детей
не дало каких-либо важных статистических данных.
Основные источники радиоактивного излучения на АЭС содер-
жатся внутри твэлов. Поэтому при проектировании станций пред-
принимают тщательные меры предосторожности против их слу-
чайных повреждений. Отработанное ядерное топливо также испу-
скает сильное радиоактивное излучение. Однако в настоящее время
разработаны достаточно совершенные способы его хранения. Так,
в США вполне удовлетворительно хранится порядка 284 млн. л
сильно радиоактивных отходов в 200 больших стальных резер-
вуарах.
При работе АЭС образуются радиоактивные жидкости, газы и
твердые вещества. В небольшой концентрации радиоактивные ве-
щества в США разрешается выбрасывать в окружающую среду.
Выбросы радиоактивных отходов строго контролируются и не
должны превышать установленных норм. Эти выбросы в некоторой
степени оправданы тем обстоятельством, что окружающая среда
радиоактивна со времени возникновения мира. Все вещества
в природе (жидкие, твердые и газообразные) в той или иной степе-
ни радиоактивны. Земля находится под непрерывным воздействием
космических лучей.
Иногда из предосторожности атомные станции сооружают,
удаляя их от населенных пунктов в моря и океаны. В США нача-
лось строительство плавучих АЭС. Первая из этих станций разме-
стится в 5 км от берегов штата Нью-Джерси и вступит в строй
к 1980 г. Реакторы и турбины станции расположатся на гигантских
баржах, поставленных на якоря на глубине от 12 до 20 м, а элект-
роэнергия будет передаваться на берег по подводному кабелю.
Станцию окружит волнолом, поднимающийся со дна океана на вы-
соту 15 м над его уровнем. Это сооружение сможет выдержать
жесточайший ураган, какой бывает один раз в 10 тыс. лет, а также
столкновение с крупнейшим судном. Волнолом укроет две баржи,
на каждой из которых установят по одному реактору и генератору
мощностью по 1150 МВт (рис. 3.51).
155
Отошло в область предания преДстайление О том, что АЭС
могут взрываться подобно атомным бомбам. В ядерных реакторах
делящийся материал рассеян в большом объеме почти не деляще-
гося изотопа урана и неделящихся конструкционных материалов.
Поэтому в реакторе полностью исключается возможность резкого
высвобождения огромного количества энергии, характерного для
ядерного оружия.
На станции должна быть предотвращена наибольшая
угроза — полное нарушение системы охлаждения активной зоны
реактора, вследствие чего может произойти расплавление ядерного
топлива и выбрасывание радиоактивных веществ.
Федеральным Советом этой странЬ! по раДйаций установлены
пределы ежегодного облучения из всех источников. Так, для рабо-
тающих с радиоактивными веществами предел равен 5000 эрг, а
в среднем на 1-го жителя страны приходится 500 эрг. Характерная
Таблица 3. 3
Источники облучения
Ежегодные дозы
облучения, эрг/год
От космических лучей и естественной радиоактивности в че-
ловеческом теле, горных породах, почве, воздухе (в среднем)
То же, для жителей вулканических районов Бразилии
Дополнительное среднее облучение внутри каменного дома,
вызванное естественной радиоактивностью материалов
В результате рентгеноскопии
Дополнительное облучение от различных источников (кос-
мические лучи во время полетов на реактивных лайнерах, све-
тящиеся циферблаты часов, цветные телевизоры и т. д.)
От радиоактивных отходов атомных электростанций (на
1970 г.)
От радиоактивных отходов АЭС для лиц, проживающих
непосредственно вблизи станций (на 1970 г.)
70—200
1600
50-150
75-100
2
Менее 0,001
5
доза облучения человека во время рентгеноскопии грудной клет-
ки — 200 эрг, а желудка — 22 000 эрг.
Радиационная обстановка вокруг Нововоронежской АЭС
в СССР характеризуется графиками, приведенными на рис. 3.52 и
3.53. Анализ проведенных измерений дает основание сделать вы-
вод о том, что плотность радиоактивных выпадений и концентра-
ция радиоактивных аэрозолей в воздухе определяются глобальны-
ми выпадениями, т. е. влияние на них АЭС не обнаруживается.
Работа АЭС контролируется большим количеством измеритель-
ных приборов и автоматических систем. Более 70% стоимости реак-
Рнс. 3.51. Проект плавучей а*омной электростанции
в США у берегов штата Нью-Джерси
Рерберт Коутс из Брукхейвенской Национальной лаборатории
США заметил, что вероятность аварии реактора равносильна пред-
положению о том, что все самолеты, летающие в районе Нью-
Йоркского аэропорта, столкнутся над стадионом Ши во время
воскресного матча по бейсболу, причем все обломки упадут на
спортивную арену.
Радиоактивное облучение населения отходами от АЭС незна-
чительно по сравнению с другими естественными источниками об-
лучения. В среднем на 1 жителя США оно составляет 0,0002% от
допустимой величины. Естественное облучение, приходящееся на
1 американца от радиоактивности в человеческом теле и окружаю-
щей среде, составляет от допустимой величины 14—40%.
Данные о радиоактивном облучении, приходящемся на 1 чело-
века в США, связанном с действием АЭС и других источников,
приведены в табл. 3.3.
Рис. 3.52. Плотность радиоактивных
выпадений в районе Нововоронеж-
ской АЭС:
-----3-— 0,5 км от АЭС, — — —--50 км
от АЭС, J — плотность потока ионизирую-
щих частиц
Рис. 3.53. Концентрация радиоактив-
ных аэрозолей в воздухе вокруг Ново-
воронежской АЭС:
--------0,5 км от АЭС,---------50 км
от АЭС, s — полная плотность источника
нейтронов
тора составляет Защитное оборудование. В случае аварийных от-
клонений в режиме работы станции произойдет автоматическая
остановка реактора.
Размещение основных элементов современной АЭС показано на
рис. 3.54 (см. форзац), где 1 — турбинный зал, 2 — электрические
генераторы, 3 — турбины, 4 — реакторный зал, 5 — реакторы
ВВР-440, 6 — парогенераторы, 7 — задвижка, 8 — главный цирку-
ляционный электронасос, 9 — мостовой кран, 10 — перегрузочный
механизм, 11 — узел свежего топлива, 12 — бассейн выдержки.
АЭС непрерывно совершенствуются. Кроме того, напряженно
ведутся работы по созданию термоядерных установок.
Так, в июне 1975 г. в институте атомной энергии им. И. В. Курчато-
ва Государственного комитета по использованию атомной энергии
СССР введена в строй крупнейшая в мире опытная термоядерная
установка «Токамак-10». Эта установка предназначена для нагре-
ва водорода до температуры в десятки миллионов градусов и удер-
жания нагретого вещества в течение продолжительного времени.
В нагретом до таких температур газе, состоящем из изотопов водо-
рода, начинается так называемая термоядерная реакция, т. е. слия-
ние ядер изотопов водорода в более тяжелые ядра гелия. Этот про-
цесс сопровождается выделением колоссальной энергии. Достаточ-
но сказать, что при ядерном сжигании 1 кг изотопов водорода вы-
деляется й 10 млн. раз больше энергии, чем при сжигании 1 кг угля.
В настоящее время человечество использует энергию природной
термоядерной реакции, протекающей в недрах Солнца и поступаю-
щей на Землю в виде света. Овладение управляемой термоядерной
реакцией в земных условиях даст человечеству новый, практиче-
ски неиссякаемый источник энергии.
Установка «Токамак-10» является чисто экспериментальной
термоядерной установкой, завершающей долговременную програм-
му разработок и исследований, проводимую в Институте атомной
энергии. w
Создание установки «Токамак-10» представляло собой сложную
инженерную задачу, к решению которой были привлечены многие
научно-исследовательские, конструкторские организации, заводы.
С вводом в строй установки «Токамак-10» советские ученые полу-
чили мощный инструмент для исследований в области термоядер-
ного синтеза.
До 1973 г. исследования по управляемому термоядерному син-
тезу возглавлял один из ведущих физиков нашего времени акад.
Л. А. Арцимович. Под его руководством советские ученые, рабо-
тающие в области управляемого, термоядерного синтеза, заняли
ведущее положение в мире, а программа «Токамак» завоевала ми-
ровое признание.
Глава 4
НОВЫЕ СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ
ВИДОВ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
§ 4.1. Развитие общества и необходимость новых способов
преобразования энергии
Мировое потребление энергии во всех ее видах, в том числе и
электроэнергии, находится в непосредственной зависимости от чи-
сленности населения. Население Земли растет особенно значитель-
но в последнее время и к 2000 г. составит, по существующим прогно-
зам, примерно 6 млрд, человек. Динамика роста населения во вто-
рой половине XX в. такова, что к 2000 г. 'население возрастет более
чем в 2 раза по сравнению с 1950 г. (табл. 4.1). Большая доля в
приросте населения приходится на развивающиеся страны.
Таблица 4. 1
Гол
Энергетические мощности и потребление энергии 1950 1970 1980 2000
Население млрл. чел.
1,97 2,87 3,6 6,0
Общие энергетические мощности, млн. кВт 223 о,1 1070 0,4 2200 0,6 7200 1,4
Энергетическая мощность в расчете на 1 человека, кВт Общее потребление элек- троэнергии, млрд. кВт • ч/год Потребление электроэнер- гии на 1 человека, кВт • ч/год
10 000 33 000
950 500 4760 1700
6200
2900
По мере развития науки и техники повышается уровень цивили-
зации во всех странах. Человек в большей мере пользуется транспор-
том, который становится совершеннее и для которого требуется все
больше энергии «высокого качества». Наиболее распространенный
вид транспорта в настоящее время — автомобили — подвергает-
ся критике из-за чрезмерного загрязнения атмосферы, приобретаю-
щего катастрофические размеры в крупных городах. В будущем
автомобили, видимо, будут заменены электромобилями, потребляю-
щими энергию более высокого качества и совершенно безвредными
для окружающей среды.
. Тенденция к потреблению энергии более высокого качества ха-
рактерна не только для автомобильного транспорта, но и для же-
лезнодорожного, водного, воздушного. Развитие транспорта способ-
J59
I _________________________________________
ствует расширению связей и сотрудничества между государствами,
а следовательно, и широкому обмену в технических и культурных
областях.
Условия комфорта быстро становятся необходимостью для чело-
века. Появляется большая потребность в тепле зимой и в холоде
летом для поддержания наиболее благоприятных условий в жили-
щах и производственных помещениях. Больше энергии требуется
для приготовления пищи, совершенствуются бытовые приборы и
различные приспособления. С ростом благосостояния и сокращени-
ем рабочего дня повышаются потребности человека в телевизорах,
радиоприемниках, кинотеатрах, театрах и т. п. Коренным образом
меняются условия производства. Местные дешевые низкосортные
источники энергии заменяются централизованно вырабатываемой
и. распределяемой между потребителями высококачественной энер-
гией, в основном тепловой и электрической. Существенно возраста-
ет доля электроэнергии, непосредственно используемой в техноло-
гических процессах.
Наряду с увеличением общего потребления энергии в мире рас-
тет также доля энергии, приходящаяся на 1 человека (см. табл.
4.1).
Огромные потребности в энергии ставят перед человечеством
проблему разработки новых эффективных способов ее получения,
основанных на новейших достижениях в науке и технике. В наше
время уже нельзя довольствоваться существующими традиционны-
ми способами преобразования различных видов энергии в электри-
ческую из-за ограниченности запасов органического топлива, кото-
рое расточительно используется при сжигании в топках. К. п. д.
самых современных ТЭС не превышает 40%. Это означает, что
большая часть получаемого тепла теряется и оказывает пагубное
«тепловое загрязнение» близрасположенных водоемов. Кроме того,
при сжигании топлива плохо используется вещество, вовлеченное
в процессе преобразования энергии. К. п. д. по веществу составля-
ет у ТЭС ничтожно мелую величину. Следовательно, процесс сжи-
гания топлива сопровождается огромными выбросами побочных
продуктов, загрязняющих окружающую среду. Поэтому разработка
новых способов преобразования энергии, позволяющих уменьшить
выбросы отходов в атмосферу, относится к важнейшим социальным
проблемам. В статье, опубликованной в журнале «Science» в авгу-
сте 1970 г., американские исследователи Лестер Лейв и Юджин
Сескин писали: «Если в крупных городах снизить загрязнение воз-
духа наполовину, ребенок проживет лишние 3—5 лет, смертность
от легочных заболеваний уменьшится на 25%, а от сердечно-сосу-
дистых заболеваний — на 10—25%. Сокращение болезней и смерт-
ности всего на 4,5% даст возможность США сэкономить по крайней
мере 4 млрд. долл, на медицинское обслуживание и потерянное ра-
бочее время»*.
* Из книги С п борта Г. н Корлисса У. Человек и атом. М„ «Мир»,
1973.
160
Недостатки, присущие ТЭС, еще не означают, что эти станции
не соответствуют духу времени и их строительство сегодня должно
быть прекращено. В обозримом будущем ТЭС останутся одними из
основных, поэтому совершенствование их конструкции, улучшение
термодинамического цикла актуально для большой энергетики.
Большие надежды возлагаются на АЭС, внедрение которых про-
исходит во многих странах мира с невиданными в истории техники
темпами. Ожидают, что к 2000 г. суммарная мощность АЭС в мире
составит 3500—3600 ГВт, в то время как общая энергетическая
мощность достигнет 7000—7200 ГВт. Иными словами, предпола-
гается, что 50% всей располагаемой человечеством энергетической
мощности будет приходиться на АЭС*. Приведенные цифры сви-
детельствуют о большом темпе развития, в особенности если учесть,
что первая АЭС была построена в 1954 г.
К- п. д. по использованию вещества на АЭС значительно выше,
чем па ТЭС (см. табл. 1.3). Однако использование на АЭС класси-
ческого термодинамического цикла для преобразования тепла в ме-
ханическую энергию, которая затем генераторами преобразуется
в электрическую, приводит к большим потерям энергии, получае-
мой в реакторах. Таким образом, на современных АЭС не удается
избежать основных принципиальных недостатков, свойственных
ТЭС.
Перед наукой стоит заманчивая перспектива — получить эффек-
тивные способы непосредственного преобразования ядерной энер-
гии в электрическую. Предвидев то огромное значение, которое
ядерная энергия призвана сыграть в истории человечества, Герберт
Уэллс в начале XX в. писал: «...уже занималась заря мощи и свобо-
ды под небом, озаренным надеждой, перед ликом науки, которая,
подобно благодетельной богине, держала в сильных руках над кро-
мешным мраком человеческой жизни изобилие, мир, ответ на бес-
численные загадки, ключи к славнейшим деяниям, ожидая, пока
люди соблаговолят их взять...» * **.
Широко используемые во многих странах мира ГЭС, сооружае-
мые на реках, и в дальнейшем будут развиваться как весьма со-
временные преобразователи энергии в возобновляемой форме.
В связи с возрастающим загрязнением биосферы и ограниченно-
стью запасов топлива повышается интерес к «чистым» электростан-
циям, использующим энергию морских приливов, тепло земных
недп, энергию солнечной радиации.
Таким образом, вместе с развитием цивилизации и технического
прогресса будут совершенствоваться существующие, ставшие клас-
сическими, и создаваться новые, более эффективные способы пре-
образования энергии. В отдаленной перспективе человечество будет
располагать арсеналом качественно иных источников энергии, и то,
' * Различные специалисты дают здесь существенно различные оценки.
** Уэллс Г. Собр. соч. (в пятнадцати томах), т. 4. Изд-во «Правда», 1964,
с. 326.
6 Зак. 1540 161
чем оно пользуется сегодня, неизбежно отойдет в прошлое, как в
наше время стали историческими паровые машины.
Несмотря на бурный прогресс в энергетике, на высокие темпы
наращивания энергетического потенциала планеты, производство
энергии недостаточно. В наше время, как отмечают американские
исследователи, все еще приходится считаться с тем реальным
фактом, что:
1) большая часть населения нашей планеты голодает;
2) большая часть населения планеты страдает от нищеты;
3) большая часть мира страдает от загрязнения окружающей
среды.
Кроме того, потребление энергии в мире (в различных странах)
крайне неравномерно, а, как было показано выше, потребление
энергии в стране определенным образом связано с культурным
уровнем (см. стр. 12) ее населения. Развитие цивилизации и про-
изводство материальных ценностей также непосредственно связаны
с количеством потребляемой энергии и ее качеством.
Для улучшения условий жизни людей на нашей планете, зна-
чительного повышения производительности труда, изменения ланд-
шафтов в широких масштабах, а также решения ряда других жиз-
ненно важных проблем наряду с созданием необходимых социаль-
ных условий развития важное значение имеет получение достаточ-
но больших количеств энергии на жителя каждой страны.
Как справедливо пишут американские ученые Г. Сиборг и
У. Корлисс, «...дешевая энергия — это значит пища в достатке, оби-
лие пресной воды, чистый воздух и все то, что принято называть
признаками цивилизации»*.
Нехватка в современном мире продуктов сельского хозяйства
ставит перед правительствами ряда стран проблему повышения их
производства. В некоторой мере увеличение продуктов питания
может быть получено за счет использ''вания пригодных для земле-
делия пустующих земель. Однако эти возможности имеются не во
всех нуждающихся в продовольствии странах и, кроме того, они
ограничены. В условиях быстрою увеличения численности населе-
ния решение проблемы продуктов питания возможно только путем
интенсификации сельского хозяйства и в первую очередь орошения
земли. Запасы пресной воды, пригодной для целей орошения, не-
велики.
Издавна люди мечтали использовать для нужд сельского хо-
зяйства морскую воду, омывающую берега. Опреснение морской
воды в промышленных масштабах становится возможным в наши
дни, когда с помощью наиболее пригодных для этого АЭС стало
доступным получение в больших количествах тепла, необходимого
для дистилляции морской воды.
По существующим подсчетам ’/з Земли из-за отсутствия влаги
не заселена, в то время как ’/г населения земного шара «теснится»
на ‘/ю суши. С помощью дешевых источников энергии можно было
’Снборг Г., Корлисс У. Человек и атом. М., «Мир», 1973, с. 54.
162
бы незаселенную территорию Земли превратить в процветающую,
открывающую широкие горизонты для значительной части населе-
ния планеты.
Огромные величины энергии потребуются человечеству также
для решения таких задач, как изменение климата на обширных
пространствах путем изменения направления морских течений или
сооружения водоемов с большой поверхностью испарения, преоб-
разование ландшафта, строительство искусственных морских зали-
вов и т. п.
Существующие в настоящее время в нашей энергетике спосо-
бы получения электрической энергии сопровождаются большими
потерями и основаны на расточительном использовании органиче-
ского топлива. В будущем, по мере возрастания потребности
в больших количествах дешевой энергии и более рационального
использования природного сырья для производства продуктов
химической, фармацевтической промышленности и т. п., неизбежно
на смену ставшим традиционными сегодня способам преобразова-
ния энергии придут качественно новые способы, в первую очередь
способы непосредственного преобразования тепла, ядерной и хими-
ческой энергии в электрическую.
• Способы непосредственного преобразования различных видов
энергии в электрическую основываются на физических явлениях и
эффектах, открытых в прошлом. Их практическое применение со-
вершенствуется по мере прогресса в науке и технике, накопления
богатого экспериментального материала и применения новейшей
технологии. Однако способы непосредственного получения элект-
рической энергии пока не конкурентоспособны с рассмотренными
ранее способами преобразования энергии, используемыми в боль-
шой энергетике. Способы непосредственного получения в больших
количествах электроэнергии преобразованием тепла, химической и
ядерной энергии относятся к новым, перспективным способам, ко-
торые, несомненно, станут основными в большой энергетике, так
как позволят качественно улучшить использование веществ, во-
влеченных в энергетические процессы, и значительно увеличить
доступные для практического использования ресурсы планеты.
Непосредственное получение электрической энергии уже широко
используется в автономных источниках энергии небольшой мощ-
ности, для которых показатели экономичности работы не имеют ре-
шающего значения, а важны надежность работы, компактность,
удобство обслуживания, небольшой вес и т. д. Такие источники
энергии используются в системах сбора информации в труднодо-
ступных местах Земли и в межпланетном пространстве, на косми-
ческих аппаратах, самолетах, судах и т. п. Суммарная установлен-
ная мощность миллиардов автономных источников электроэнергии,
несмотря на их скромные размеры, превосходит мощность всех
стационарных электростанций, вместе взятых.
Работа автономных источников, непосредственно преобразую-
щих различные виды энергии в электрическую, основана либо па
химических, либо на физических эффектах. В химических источнн-
6*
163
ках, например таких, как гальванические элементы, аккумуляторы,
электрохимические генераторы и т. п., используется энергия окис-
лительно-восстановительных реакций химических реагентов. Физи-
ческие источники электроэнергии, такие, как термоэлектронные
генераторы, фотоэлектрические батареи, термоэмиссионные генера-
торы, работают в соответствии с различными физическими эффек-
тами.
В настоящее время не существует общей теории преобразова-
ния энергии всех видов. Так, классическая электротехника, в осно-
ве которой лежит макроскопическая электродинамика, рассматри-
вает электронные взаимодействия в изотропных средах (чистые
металлы, диэлектрики, разреженные газы). Макроскопическая
электродинамика не учитывает атомной структуры вещества. Поэ-
тому при создании устройств непосредственного преобразования
энергии не может быть использована только классическая электро-
динамика. Полупроводниковые эффекты основаны на закономерно-
стях переноса электрона и его поля в твердых телах с анизотро-
пией по диэлектрическим и магнитным свойствам. Разработка
теории полупроводников оказала огромное влияние на создание
новых источников электроэнергии, таких, как термогенераторы и
фотоэлектрические батареи, а также на развитие многих отраслей
техники.
Не вызывает сомнений, что в будущем в соответствии с законо-
мерностями развития технического прогресса в большой энергетике
будут широко использоваться более совершенные, качественно но-
вые способы преобразования энергии.
В последнее время наблюдается повышенный интерес к прямым
методам преобразования тепловой энергии в электрическую. Этому
способствует прогресс в изучении физических свойств преобразо-
вания энергии, успехи в технологии изготовления материалов с за-
данными химическим составом, чистотой, теплофизическими и эле-
ктрическими свойствами. Однако эффективность работы устано-
вок, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электри-
ческую, пока еще значительно ниже, чем у существующих про-
мышленных электростанций.
Установки прямого преобразования тепловой энергии в элект-
рическую находят практическое применение в качестве автоном-
ных источников энергии, предназначенных для космических объек-
тов, устройств навигации и других специальных аппаратов.
Известные способы прямого преобразования тепловой энергии
в электрическую подразделяются на: 1) магнитогидродинамиче-
ские; 2) термоэлектрические; 3) термоэмиссионные.
§ 4.2. Магнитогидродинамическое преобразование энергии
К одной из центральных физико-технических задач энергетики
относится создание магнитогидродинамических генераторов (МГД-
генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию
в электрическую. Возможности практической реализации такого
164
рода преобразования энергии в широких промышленных масшта-
бах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плаз-
мы, металлургии и ряде других областей.
Непосредственное преобразование тепловой энергии в электри-
ческую позволяет существенно повысить эффективность использо-
вания топливных ресурсов. В классическом паросиловом цикле
преобразования энергии (рис. 4.1, а) тепло, получаемое при сжига-
Тепло
а)
Энергия
пара в
котле
\ Злектричес ~ i
кал энергия (
генератора \
Механическая
энергия турбины
Тепло
\ Злектри-
\ ческая
^энергия
j генери ~
’ тора
Рис. 4.1. Схемы преобразования энергии:
а — паросиловое; б — магнитогидродииамическое
нии топлива, превращается во внутреннюю энергию пара, темпера-
тура и давление которого при этом повышаются. Затем в паровых
турбинах энергия пара превращается в механическую и только
после этого в электрических генераторах механическая энергия
преобразуется в электрическую. Процессы этих многократных пре-
образований сопровождаются неизбежными потерями, снижаю-
щими эффективность всего цикла.
В магнитогидродинамическом цикле (рис. 4.1, б) цепочка пре-
образований энергии значительно короче. Но не только в этом со-
стоит преимущество МГД-преобразования энергии. К- п. д. идеаль-
ного теплового цикла Карно зависит от максимальной и минималь-
ной температур рабочего тела. В современных топках парогенера-
торов температура превышает 2000° С, а нагрев лопаток паровых
турбин из-за ограниченной теплостойкости материала не должен
превышать 750° С, что ограничивает к. п. д. до 0,6. В реальных ус-
ловиях из-за несовершенства паросилового цикла к. п. д. не удает-
ся повысить более чем до 0,4. В МГД-генераторах статические ус-
ловия работы позволяют использовать материалы, на поверхности
которых температура может достигать 2700—3000° С. Это открыва-
ет широкие перспективы повышения к. п. д. преобразования энер-
гии.
В качестве проводящего вещества в МГД-генераторах исполь-
зуются ионизированные газы. Чтобы обеспечить необходимую эле-
ктропроводность газов, следует их температуру поддерживать не
ниже 2000° С. Это обстоятельство не позволяет использовать МГД-
преобразование во всем диапазоне температур от 3000 до 300 К.
Поэтому МГД-генераторы целесообразно дополнять паротурбин-
ными преобразователями, полезно использующими тепло газов,
выходящих из каналов МГД-преобразователей. Сочетание МГД-
генераторов с паротурбинными преобразователями энергии позво-
165
ляет поднять к. п. д. всей установки до 50—60%, что означает эко-
номию десятков миллионов тонн топливных ресурсов в год. Стацио-
нарные МГД-установки наиболее приспособлены для преобразо-
вания энергии в широких масштабах. Повышение к. п. д. установок
с МГД-генераторами позволит снизить топливные составляющие
стоимости электроэнергии и уменьшить капитальные затраты на
сооружение станций.
Принцип работы МГД-генератора. Для современной электро-
энергетики важное значение имеет открытый Фарадеем закон
электромагнитной индукции, который утверждает, что в провод-
нике, движущемся в магнитном поле, индуктируется э. д. с.
Э. д. с. индуктируется в любом проводнике — твердом, жидком
или газообразном. Область науки, изучающая взаимодействие
между магнитным полем и токопроводящими жидкостями или га-
зами, называется магнитогидродинамикой.
Рис. 4.2. Схема магиитогид-
родинамического генератора
Кельвина
Рис. 4.3. Принцип работы МГД-генератора
Еще Кельвин показал, что соленая вода в устье реки способна
в магнитном поле Земли действовать как простейший генератор.
Схема такого МГД-генератора Кельвина показана на рис. 4.2.
В соответствии с законом электромагнитной индукции сила тока
в проводниках 1, присоединенных к пластинам 2, опущенным в воду
вдоль берегов реки, пропорциональна индукции магнитного поля
Земли и скорости течения соленой морской воды в реке. При изме-
нении направления течения воды в реке изменялось также и нап-
равление электрического тока в проводниках между пластинами.
Принципиальная схема действия современного МГД-генератора
(рис. 4.3) мало отличается от приведенной на рис. 4.2. В рассмат-
риваемой схеме между металлическими пластинами 1, расположен-
ными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизирован-
ного газа, обладающего кинетической энергией направленного дви-
жения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнит-
ной индукции появляется э. д. с., вызывающая протекание электри-
ческого тока между электродами внутри канала генератора и во
внешней цепи. Поток ионизированного газа — плазмы — тормозит-
ся под действием электродинамических сил, возникающих при взаи-
модействии протекающего в плазме тока и магнитного потока.
166
Можно провести аналогию между этими
возникающими силами и силами тормо-
жения, действующими со стороны рабо-
чих лопаток паровых и газовых турбин на
частички пара или газа. Преобразование
энергии и происходит путем совершения
работы по преодолению сил торможения.
Если какой-либо газ нагреть до высо-
кой температуры (»3000°С), увеличив
ID 10z to3 t,°c
Рис. 4.4. Зависимость прово-
димости плазмы от темпера-
туры
тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропровод-
ное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих ка-
налах МГД-генератора будет происходить прямое преобразование
тепловой энергии в электрическую.
Плазма. До недавнего времени были известны три состояния
вещества: твердое, жидкое и газообразное. Газ считался электри-
чески нейтральным, так как нейтральны атомы и состоящие из них
молекулы. Заряд электронов в атомах полностью уравновешивает-
ся зарядом ядра. При нагреве газа в результате интенсивного соу-
дарения атомов происходит выбивание внешних электронов. Если
отделить все электроны от ядер, то вещество будет находиться
в четвертом состоянии, называемом высокотемпературной плазмой.
На Земле это состояние вещества не встречается, так как для его
Рис. 4.5. Зависимость прово-
димости плазмы от степени
ионизации
получения требуется температура порядка миллионов градусов и
давление в десятки тысяч мегапаскаль. Высокотемпературная
плазма содержится в глубинах Солнца.
При 3000° С некоторые газы превращаются в низкотемператур-
ную плазму, состоящую из свободных атомов, диссоциированных
ионов и электронов. Низкотемпературная плазма обладает высокой
электропроводностью. На рис. 4.4 и 4.5 приведены зависимости про-
водимости плазмы g от температуры t и ионизации а. Температуре
3000°С соответствует небольшая иониза-
ция, равная 0,1 %, однако проводимость
при этом уже достигает 50%. При 1%
ионизации достигается 80% проводимо-
сти. Следовательно, для практических це-
лей нет необходимости стремиться к вы-
сокой ионизации.
Трудности использования ионизиро-
ванных газов состоят в том, что при вы-
сокой температуре (например, 3000° С)
не. удается сохранить прочность камеры
сгорания, каналов и сопла, по которым
происходит движение газового потока.
Добавление некоторых легко ионизи-
рующихся щелочных металлов, таких, как
калий, натрий, во много раз (десятки
тысяч) увеличивает электропроводность
газа. При этом можно ограничиться тем-
пературой 25004-2700°С. Однако в этом
167
Рис. 4.6. Принципиальная схема МГД-
генератора с паросиловой установкой:
/ — камера сгорания, 2 — теплообменник,
3 — МГД-генератор, 4 — обмотка электро-
магнита, 5 — парогенератор, 6 — турбина,
7 — генератор, 8 — конденсатор, 9 — насос
случае возникают трудности, свя-
занные с обеспечением необходи-
мой коррозионной прочности ма-
териалов из-за повышения хими-
ческой агрессивности среды, в ко-
торой должны работать эти кон-
струкционные материалы.
МГД-генератор с паросиловой
установкой. Принципиальная
схема МГД-генератора с пароси-
ловой установкой показана на
рис. 4.6. В камере сгорания про-
изводится сжигание органиче-
ского топлива, получаемые при
этом продукты в плазменном со-
стоянии с добавлением присадок
направляются в расширяющий-
ся канал МГД-генератора. Силь-
ное магнитное поле создается
мощными электромагнитами. Температура газа в канале генера-
тора должна быть не ниже 2000° С, а в камере сгорания 2500—
2800° С. Необходимость ограничения минимальной температуры
газов, покидающих МГД-генераторы, вызывается настолько зна-
чительным уменьшением электропроводности газов при темпера-
турах ниже 2000° С, что у них практически исчезает магнитогидро-
динамическое взаимодействие с магнитным полем.
Тепло отработанных в МГД-генераторах газов вначале исполь-
зуется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания то-
плива, и повышения тем самым эффективности процесса его сжига-
ния. Затем это тепло в паросиловой установке расходуется на обра-
зование пара и доведение его параметров до необходимых величин.
Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру
примерно 2000° С, а современные теплообменники, к сожалению,
могут работать при температурах, не превышающих 800° С, поэто-
му при охлаждении газов часть тепла теряется.
На рис. 4.7 (см. вкл.) схематически показаны основные элемен-
ты МГД-электростанции с паросиловой установкой и их взаимо-
связи.
Трудности в создании МГД-генераторов состоят в получении
материалов необходимой прочности. Несмотря на статические ус-
ловия работы, к материалам предъявляют высокие требования, так
как они должны длительно работать в агрессивных средах при
высоких температурах (25004-2800° С).
Для нужд ракетной техники созданы материалы, способные ра-
ботать в таких условиях, однако они могут работать непродолжи-
тельное время — в течение минут. Продолжительность работы про-
мышленных энергетических установок должна исчисляться по
крайней мере месяцами.
168
5
Рис. 4.8. МГД-генератор с ядерным реактором:
/ — ядерный реактор, 2 — сопло, 3 — МГД-генератор,
4 — место конденсации щелочных металлов, 5 — насос,
6‘ — место ввода щелочных металлов
ней присадок вызывает повышенную кор-
Жаростойкость Зави-
сит не только от материа-
ла, но и от среды. Напри-
мер, вольфрамовая нить
в электрической лампе
при температуре 25004-
4-2700° С может работать
в вакууме или в среде
нейтрального газа не-
сколько тысяч часов, а в
воздухе расплавляется
через несколько секунд.
Понижение температу-
ры плазмы добавлением к
розию конструкционных материалов.
В настоящее время созданы материалы, которые могут рабо-
тать длительно при температуре 22004-2500° С (графит, окись маг-
ния и др.), однако они не способны противостоять механическим
напряжениям.
Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов
для МГД-генератора пока не решена. В настоящее время ведутся
также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой
добавкой цезия при температуре 2000° С имеет одинаковую прово-
димость с продуктами сгорания минерального топлива при темпе-
ратуре 2500° С. Разработан проект МГД-генератора, работающего
по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно циркулирует
в системе.
Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное
магнитное поле, которое может быть получено пропусканием огром-
ных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагрева обмоток
и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть
по возможности наименьшим. Поэтому в качестве таких проводни-
ков целесообразно использовать сверхпроводящие материалы.
МГД-генераторы с ядерными реакторами. Весьма перспективны
МГД-генераторы с ядерными реакторами, используемыми для на-
греваний газов и их термической ионизации. Предполагаемая схе-
ма такой установки показана на
рис. 4.8.
Трудности создания МГД-гене-
ратора с ядерным реактором состо-
ят в -том, что современные тепловы-
деляющие элементы, содержащие
уран и покрытые окисью магния,
допускают температуру, не намного
превышающую 600° С, в то время
как для ионизации газов необходи-
ма температура, равная примерно
2000° С. Можно надеяться, что по
мере совершенствования реакторных
Рис. 4.9. МГД-генератор с камер-
ным реактором:
1 — камера сгорания, 2 — замедлитель,
3 — сопло, 4 —электроды. отводящие
ток
169
СйсФеМ их температуру можно бу-
дет увеличить до нужных величин.
После создания высокотемпе-
ратурного ядерного реактора по-
явится возможность наиболее
полно использовать преимущества
МГД-генераторов, так как мож-
но будет нагревать газы с хоро-
шими термодинамическими и хи-
мическими свойствами, не огра-
ничиваясь продуктами сгорания
органического топлива.
Недавно предложен вариант
МГД-генератора с камерным ре-
актором (рис. 4.9), принцип ра-
Рис. 4.10. МГД-генератор с пуль-
сирующей плазмой:
1 — плазма, 2 — камера сгорания, 3 —
алюминиевые баки, 4 — замедлитель-
теплоноситель, 5 — бетонная защита, 6,
8 — подача и отвод теплоносителя
замедлителя, 7 — критическая область.
9 — регулировочные стержни
боты которого состоят в следующем: смесь гелия и радиоактивного
урана под давлением в 12,2 МПа подается в камеру, где в резуль-
тате цепной реакции происходит разогрев до температуры 5500° С.
При прохождении через сопло происходит расширение плазмы и
увеличение скорости ее движения.
Предположительная мощность такого МГД-генератора —
10 ГВт. Вес и размеры у него такие же, как и у паросиловых уста-
новок мощностью 100 МВт.
Представляет интерес МГД-генератор с пульсирующей плазмой
(рис. 4.10), позволяющий получать электрическую энергию при
переменном токе. В замкнутую камеру генератора помещается ра-
диоактивный газ в таком количестве, что при равномерном его рас-
пределении цепной реакции не происходит, т. е. газ находится
в докритическом состоянии. При сжатии газа достигается закрити-
ческщ) объем и происходит цепная реакция, в результате которой
образуется ударная волна. Вслед за этой волной движется плазма.
В противоположном конце камеры вновь происходит цепная
реакция и плазма вновь превращается в исходное состояние
и т. д.
Вопросам создания достаточно эффективных промышленных
МГД-установок уделяется большое внимание во многих индуст-
риально развитых странах мира. Повышение к. п. д. установок
с МГД-генераторами улучшает технико-экономические показатели
работы и способствует уменьшению загрязнения окружающей сре-
ды вследствие более полного использования вовлеченных в энерге-
тическое производство природных ресурсов.
Первые опытные конструкции МГД-генераторов имеют пока
высокую стоимость. В будущем можно ожидать существенного сни-
жения их стоимости, что позволит успешно использовать МГД-гене-
раторы для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах, т. е. в ре-
жимах относительно непродолжительной работы. В этих случаях
величина к. п. д. не имеет решающего значения и МГД-генераторы
могут использоваться и без паросиловой пристройки.
170
\ В настоящее время в Советском Союзе сооружены мощные
рпытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии,
на которых ведутся исследования по совершенствованию их кон-
струкции и созданию эффективных МГД-электростанций, конку-
рентоспособных с обычными электростанциями.
§ 4.3. Термоэлектрические генераторы
Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую
энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ)
в наши дни находят наиболее широкое практическое применение
(хотя пока при относительно небольшой мощности).
Основные достоинства ТЭГ: 1) отсутствуют движущиеся части;
2) нет необходимости в высоких давлениях; 3) могут использовать-
ся любые источники тепла; 4) имеется большой ресурс работы.
ТЭГ широко используют в качестве источников энергии на кос-
мических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих
других установках.
ТЭГ в зависимости от назначения могут преобразовывать
в электрическую энергию тепло, получаемое в атомных реакторах,
энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д.
Тепло распада радиоактивных изотопов и тепло, получаемое при
делении ядер тяжелых элементов в реакторах, стало применяться
в ТЭГ с конца 50-х годов.
Широкие исследовательские и конструкторские работы в обла-
сти совершенствования ТЭГ ведутся в СССР и во многих зарубеж-
ных стпанах (США, Англии, Франции, Японии и др.).
ТЭГ изготовляются мощностью от нескольких ватт до несколь-
ких киловатт. Проектируются генераторы и гораздо большей мощ-
ности — до нескольких мегаватт.
Почти все современные ТЭГ содержат полупроводниковые ма-
териалы в виде теллуридов или селенидов. Их открытие позволило
создать ТЭГ с к. п. д. до 10%. В перспективе можно ожидать даль-
нейшего увеличения к. п. д. Однако существующие конструкции
ТЭГ не могут конкурировать с мощными электрическими станция-
ми из-за дороговизны и низкого значения к. п. д.
Как показали исследования, в диапазоне мощностей от 1 Вт до
1 кВт ТЭГ с газовым подогревом могут быть экономически выгод-
нее аккумуляторных батарей солнечных элементов и двигателей
внутреннего сгорания.
Принцип работы ТЭГ. Приоритет в открытии термоэлектрических явлений
приналлежит русскому акал. Ф. Эпинусу, который в 1762 г. в Петербурге дал
описание опытов по получению электроэнергии посредством нагревания мате-
риалов.
Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека, который
в 1821 г. сообщил об экспериментах, связанных с отклонением магнитной стрелки
вблизи термоэлектрических пеней. Олнако Зеебек не рассматривал задачу получе-
ния энергии. Сущность эффекта Зеебека состоит в том, что в замкнутой пени,
состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных темперлтуплх
контактов материалов. Экспериментальные исследования показали, что величин»
171
э. д. с. термопары зависит от используемых материалов и температур горячего
холодного спаев:
Е — а (Тг Тх), 1
где а — коэффициент термо-э. д. с., зависящий от материала; Тт и 1\— темпера-
туры горячего и холодного спаев.
Явление Зеебека можно качественно объяснить тем, что средняя энергия сво-
бодных электронов различна в разных проводниках и по-разному растет с темпе-
ратурой. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает
направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего
у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего — избы-
ток положительных. Поток этот более интенсивен в тех проводниках, у которых
концентрация электронов больше. Поэтому даже в простейшем термоэлементе,
замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями
электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возникает электри-
ческий ток под действием э. д. с. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накоп-
ление электронов на холодном конце будет увеличивать его отрицательный потен-
циал до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между электрона-
ми, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного
Рис. 4.11. Термоэлектрическая батарея:
1 — горячие спаи, 2 — холодные спаи
конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропро-
водность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следо-
вательно, тем выше э. д. с. Поэтому полупроводниковые элементы более эффек-
тивны, чем металлы.
В 1834 г. Пельтье наблюдал обратное явление теплового взаимодействия
между контактом из различных проводников, через который пропускался элек-
трический ток, и окружающей средой. Природа этого взаимодействия была выяс-
нена в 1838 г. Э. X. Ленцем, который показал, что выделение или поглощение
тепла на стыке двух разнородных проводников происходит в зависимости от
направления электрического тока. Ленц демонстрировал эффектный опыт: на спай
висмута и сурьмы наносилась капля воды; при пропускании тока одного направ-
ления капля превращалась в лед, а при пропускании тока другого направления
лед таял.
Явление, обнаруженное Томсоном, заключается в выделении тепла при проте-
кании тока в проводнике, имеющем перепад температур. Количество выделяю-
щегося тепла
= № (Тг-Тх),
где т — коэффициент Томсона.
Выделение тепла вызвано тем, что электроны при переходе из зоны с более
высокой температурой отдают избыточную энергию окружающим атомам и вызы-
вают нагрев проводника. При обратном направлении тока электроны увеличивают
свою энергию за счет энергии атомов, в этом случае происходит поглощение тепла.
172
\ Термоэлектрические батареи. В то время, когда Зеебеком был открыт эффект
тёрмо-э. д. с., батареи электрохимических элементов были единственными источ-
икками электрической энергии. Ряд исследователей предполагали использовать
этот эффект для создания конкурентоспособных промышленных источников элек-
трической энергии. Так, в 1843 г. на имя Мозеса Паули был выдан патент на
производство термоэлектрических батарей, которые представляли собой цепочки
последовательно соединенных термопар, дающих на выходе повышенное значе-
ние ,э. д. с.
Термопара составлена из разных металлов А и В (рис. 4.11). У таких бата-
рей существенным недостатком было увеличение внутреннего сопротивления,
а слёдовательно, и ограничение мощности по мере увеличения числа
последовательно соединенных элементов. Иными словами, стремление получить
повышенное напряжение на выходных зажимах источника электроэнергии, кото-
рое позволило бы использовать такие источники в практических целях, приводило
к снижению мощности источника и ограничивало тем самым его практическое ис-
пользование.
Рис. 4.12. Перемещение по-
ложительных дырок
Рис. 4.13. Зависимости термо-э.д.с.
от перепада температур
К 1850 г. наибольшее значение к. п. д. термоэлектрических батарей составля-
ло около 3%, что приблизительно было равно к. п. д. существовавших тогда паро-
вых машин. Из-за низких значений к. п. д. термопары в течение длительного вре-
мени (более ста лет) применялись в основном только для измерения температур
(генерируемая э. д. с. пропорциональна разности температур между горячим и
холодным спаями).
Полупроводниковые ТЭГ. Положение существенно изменилось в связи с от-
крытием полупроводников, занимающих промежуточное положение между про-
водниками и изоляторами. Носителями зарядов в полупроводниках могут быть
электроны (полупроводники n-типа) и «положительные дырки» (полупроводники
p-типа). У собственно полупроводников имеются приблизительно в равном коли-
честве носители зарядов двух видов.
Местная нехватка электрона сказывается в проявлении эффекта положитель-
ного заряда, удачно названного «положительной дыркой». Положительные дырки
способны перемещаться, благодаря чему возникает перенос положительных заря-
дов? Перемещение положительных дырок условно показано на рис. 4.12.
Отсутствие электрона у первого слева атома (рис. 4.12,а) создает у него
эффект положительного заряда. Перемещение связанного с атомом электрона
справа палево эквивалентно перемещению положительного заряда — положитель-
ной дырки — в противоположном направлении — слева направо (рис. 4.12,6, в).
Концентрацией и знаком электрических зарядов можно управлять, вводя
в материалы полупроводников различные примеси. В полупроводниках, так же
как и в металлах, термо-э. д. с. прямо пропорциональна разности температур го-
рячего и холодного концов стержня. Отличие состоит в том, что термо-э. д. с.
у полупроводников в 40 с лишним раз больше, чем у металлов. Так, если в типич-
ном металле при разности температур 55° С термо-э. д. с. равна 0,2—0,3 мВ, то
173
в полупроводнике, изготовленном из теллурида висмута, при этом же перепаде
температур термо-э. д. с. равна 10 мВ. /
Примерные зависимости термо-э. д. с. от перепада температур приведены на
рис. 4.13 для типичных полупроводников 1 и металлов 2. /
Хорошая теплоизоляционная способность полупроводников позволяет созда-
вать на их основе ТЭГ с большими перепадами температур, а следовательно, и
с большими величинами термо-э. д. с. )
Рис. 4.14. Схема термоэлектрического элемента и его ис-
пользование в тепловом насосе:
а — схема элемента из полупроводников п- и р-тнпа; б — тепло-
вой насос, обогревающий комнату зимой; в — тепловой насос,
охлаждающий комнату летом; г — общий внд и конструктивное
выполнение теплового насоса
Металлы наряду с хорошей электропроводностью обладают также и хорошей
теплопроводностью, что приводит к интенсивной передаче тепла от горячего спая
к холодному, выравниванию температур, а следовательно, и уменьшению величи-
ны термо-э. д. с.
В ТЭГ одновременно используют полупроводники двух типов — п и р. На
рис. 4.14,а показана термопара, образованная из полупроводников п- и р-типа.
В обеих ветвях термопары носители зарядов перемещаются от горячего спая
к холодному. Поскольку за положительное направление электрического тока при-
нимается направление движения положительного заряда, то направления токов
в ветвях схемы совпадают (показаны стрелками на рисунке). Чтобы получить
174
Значительные величины э. д. с., полупроводниковый
ТЭГ необходимо выполнить из множества после-
довательно соединенных термопар, каждая из ко-
торых состоит из полупроводников п- и р-типа.
А Возможно применение термоэлектрических
элементов в так называемых тепловых насосах,
осуществляющих в одной части выделение, а в
другой — поглощение тепла одновременно за счет
электрической энергии. При изменении направле-
ния чока насос работает в противоположном ре-
жиме, т. е. части, в которых происходит выделе-
ние и поглощение тепла, меняются местами. Такие
тепловые насосы могут успешно применяться для
терморегуляции жилых и прочих помещений. Зи-
мой насосы нагревают воздух в помещении и
охлаждают его на улице (рис. 4.14,6), а летом,
наоборот, — охлаждают воздух в помещении и на-
Рис. 4.15. Схема полупро-
водниковой термоэлектриче-
ской батареи
гревают на улице (рис. 4.14, б). На рис. 4.14,а показаны общий вид и схема
установки теплового иасоса в помещении.
Свойства полупроводников зависят от температуры. Для каждого их вида
существуют сравнительно узкие границы оптимальных температур. В то же время
величина термо-э. д. с. прямо пропорциональна разности температур. Следова-
тельно, для получения больших ее значений необходимо использовать высокие
температуры. Преодоление трудностей, вызванных необходимостью использовать
высокие температуры с одной стороны и существованием узких границ, в которых
свойства полупроводников оптимальны, — с другой, возможно путем использова-
ния термоэлектрических батарей с различными ступенями, работающими в режи-
мах наиболее благоприятных температур. Секции пъ и Рз (рис. 4.15) предназна-
чены для работы при наиболее высоких температурах, а секции nt и pt — при
наиболее низких.
Созданы полупроводники для работы при температуре 535° С.
Однако для эффективной работы промышленного ТЭГ потребуется
температуру горячего спая довести до величины примерно 1100° С.
Трудности в повышении температуры полупроводников состоят
в том, что с ростом температуры полупроводники различных типов
проявляют тенденцию к превращению в собственно полупровод-
ники, у которых числа носителей положительных и отрицательных
зарядов равны. Эти заряды при создании градиента температуры
перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве
и, следовательно, накапливания потенциала не происходит, т. е.
не создается термо-э. д. с. Собственно полупроводники бесполезны
для целей генерирования термоэлектрического тока.
В настоящее время широко ведутся исследования по созданию
полупроводников, работающих при высоких температурах. Для по-
догрева горячих спаев может быть использовано тепло, получаемое
в реакторах при делении ядер тяжелых элементов. Однако в этом
случае требуется решение ряда трудностей, в частности выявление
эффекта сильного радиационного воздействия на полупроводнико-
вые материалы, так как ядерное горючее может находиться в не-
посредственном контакте с полупроводниковыми материалами
(рис. 4.16).
На рис. 4.17 показана схема генератора, в котором тепло полу-
чается при сжигании органического топлива. Использование обыч-
175
Рис. 4.16. ТЭГ иа ядерном го-
рючем
Рис. 4.17. ТЭГ на органическом
топливе
Рис. 4.18. ТЭГ иа делящихся
полупроводниковых элементах
ного органического топлива нерационально из-за больших потерь
тепла, уносимого газами.
Термоэлектрическая батарея может быть создана и из деля-
щихся тепловыделяющих термоэлементов, обла-
дающих полупроводниковыми свойствами (рис. 4.18), например из
таких, как сульфиды урана и тория.
В типичном энергетическом ядерном реакторе находится 40—
50 тыс. тепловыделяющих элементов. Если в каждый встроить тер-
мобатарею, вырабатывающую ток с напряжением 1 В, то можно,
последовательно соединяя эти батареи,
получить напряжение, измеряемое
многими тысячами вольт.
Исход промышленного применения
ТЭГ во многом зависит от успехов
поиска материалов, которые обладали
бы свойствами полупроводников в ус-
ловиях высоких температур и интен-
сивного радиоактивного облучения.
В ТЭГ принципиально возможно
использование жидких полупроводни-
ковых материалов. Основной недоста-
ток таких материалов — более интен-
сивный отвод тепла от горячего спая
к холодному за счет конвекции. В твер-
дых материалах перенос тепла осуще-
ствляется за счет теплопроводности,
обусловленной колебаниями атомов.
176
I Вопрос о целесообразности применения Тех или иных источни-
ков энергии решается в пользу ТЭГ в тех случаях, когда ведущей
значение принадлежит не к. п. д., а компактности, надежности, noj
тйтивности, удобству.
\ТЭГ удобны в обслуживании, так как у них нет подвижных ча-
стей и они бесшумны в работе. Как пишет в шутливом тоне англий-
ский физик Джон Гарднер, «...общество борьбы с шумом будет
наверняка довольно машинами для стрижки газонов с приводом от
термоэлектрических генераторов, которые восстановят в ка-
кой-то мере мир и тишину в пригородах во время уик-эндов»*.
В СССР создан надежный промышленный ТЭГ на ядерном
горючем, названный «Ромашкой». Электрическая мощность его
равна 500 Вт.
§ 4.4. Радиоизотопные источники энергии
Естественный радиоактивный распад ядер сопровождается вы-
делением кинетической энергии частиц и у-квантов. Эта энергия по-
глощается средой, окружающей радиоактивный изотоп, и превра-
щается в тепло, которое можно использовать для получения элект-
рической энергии термоэлектрическим способом. Установки, преоб-
разующие энергию естественного радиоактивного распада в элект-
рическую энергию с помощью термоэлементов, называются радио-
изотопными термогенераторами. Радиоизотопные термогенераторы
весьма надежны в работе, обладают большим сроком службы, ком-
пактны и могут успешно использоваться в качестве автономных
источников энергии для различных установок космического и на-
земного назначений.
Современные радиоизотопные генераторы имеют к. п. д. 3—5%
и срок службы от 3 месяцев до 10 лет. Технико-экономические ха-
рактеристики этих генераторов в будущем могут быть значительно
улучшены. В настоящее время создаются проекты генераторов
мощностью до 10 кВт.
К радиоизотопным термогенераторам проявляют интерес самые
различные отрасли науки и техники. Эти источники энергии предпо-
лагается использовать для создания искусственного сердца челове-
ка, а также для стимулирования работы различных органов в жи-
вых организмах.
Особенно пригодными оказались радиоизотопные термогенера-
торы при освоении космического пространства, где необходимы
источники энергии, способные длительно и надежно работать в не-
благоприятных условиях воздействия ионизирующих излучений,
в радиационных поясах, на поверхности других планет и их спут-
ников.
* Гарднер Дж. Электричество без динамомашии или грядущая револю-
ция в энергетике. М., «Мир», 1965, с. 274.
177
Радиоактивные изотопы обладают свойством самопроизвольных электромаг-
нитных излучений и способностью к распаду, который происходит по экспонен-
циальному закону, причем скорость его не может быть изменена никакими изве-
стными физическими силами. /
Со времени открытия Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности урано-
вых солей науке стало известно более 1200 радиоактивных изотопов, как природ-
ных, так и искусственных.
Специфическая особенность радиоизотопных генераторов состоит в необходи-
мости предусматривать надежную радиационную защиту от непрерывных а-, 0- и
у-излучений, под которой понимается не только защита персонала, ио и учет воз-
можных аварийных ситуаций в различных условиях работы.
Уменьшение интенсивности излучения со временем нежелательно. Поэтому
в качестве радиоизотопного топлива используют изотопы с периодом полураспада
намного большим, чем продолжительность работы генератора (например, плуто-
ний 239Ри и стронций 90Sr). Тепло, выделяемое при распаде топлива, должно не-
прерывно отводиться, что обусловлено непрерывностью процесса распада. Ограни-
чения, накладываемые на конструкцию радиоизотопного генератора, зависят от
среды, в которой предполагается его использование (табл. 4.2).
Радиоизотопные генераторы, применяемые на космических аппаратах, обычно
работают по принципу использования энергии излучения для нагрева горячих
спаев термопар, в которых происходит превращение тепловой энергии в электри-
ческую.
Таблица 4.2
Окружающие условия Характеристика среды Ограничения среды
Космическое про- странство 1 9 Вакуум Космическое из- лучение Солнечное излу- чение Метеороиды Вибрации при запуске Отвод тепла только излучением. Применение материалов с низкой упругостью насыщенных паров Применение стойких к облучению материалов или соответствующей за- щиты Применение материалов, стойких к воздействию ультрафиолетовых лучей. Нанесение отражающих покрытий на излучатель Применение брони на чувствитель- ных поверхностях Применение жесткой конструкции
' Подводная среда Коррозия Высокое давле- ние Текучесть Применение стойких к коррозии ма- териалов Применение оболочки высокого дав- ления Использование конвекции для теп- лообмена
Удаленное место- расположение при на- земном использовании Атмосфера Землетрясения Недоступность Отдача тепла воздуху посредством конвективного теплообмена или почве (снегу, воде) посредством теплопро- водности Применение жесткой конструкции Применение оборудования, обла- дающего высокой надежностью
178
Таблица 4.3
Тип генератора
юктрические батареи
Характеристика
Установки компактные и удобные, но обла-
дающие низкой плотностью энергии. Продолжи-
тельность непрерывной работы невелика. Количе-
ство зарядио-разрядных циклов ограничено
Топливные элементы Высокий к. п. д. преобразования, но плотность энергии топлива низкая. Пригодны только для кратковременных работ в космосе (менее двух месяцев)
Солнечные элементы Превосходны в условиях хорошей освещенности Солнцем, но в космосе подвержены радиацион- ным повреждениям. Требуют ориентации. Боль- шие панели затрудняют обслуживание установки
Энергетические установки с ядерным реактором Относительно тяжелы при мощности ниже 500 Вт. Надежность в космосе не проверена
Перспектива освоения космического пространства связана с использованием
ядерной энергии. В США впервые радиоизотопные термоэлектрические генерато-
ры были использованы для обслуживания электроэнергией космического спутника
«Транзит» в 1961 г. Мощность этого источника равнялась 2,7 Вт. Первый амери-
канский космический генератор имел почти шарообразную форму с внешним
диаметром 13 см.
Сравнение радиоизотопных термоэлектрических генераторов с другими источ-
никами электроэнергии приведено в табл. 4.3.
§ 4.5. Термоэмиссионные генераторы
Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Эдисоном
в 1883 г. Т. Эдисон к концу своей жизни был обладателем 1300 па-
тентов. Работая над созданием электрической лампы, Эдисон поме-
щал в колбе две нити. Когда перегорала одна из них, он поворачи-
вал лампу и включал другую. Во время испытаний ламп обнаружи-
лось, что некоторое количество электричества переходит к холодной
нити, т. е. электроны «испаряются» с горя-
чей нити — катода — и движутся к холод-
ной нити — аноду — и далее во внешнюю
электрическую цепь. При этом часть тепло-
вой энергии, расходуемой на нагревание ка-
тода, переносится электронами и отдается
аноду, а часть энергии электронов выде-
ляется во внешней электрической цепи при
протекании электрического тока.
Анод разогревается за счет тепла, при-
носимого электронами. Если бы температу-
ры катода и анода были одинаковыми, то
тепло «испарения» электронов с катода в
Рис. 4.19. Схема термо-
эмиссионного преобразо-
вателя энергии:
1 — катод, 2 — анод
179
точности было бы равно теплу «конденсации» электронов на аноде
и не было бы преобразования тепла в электрическую энергию. Чем
меньше температура анода по сравнению с температурой катода,
тем большая часть тепловой энергии превращается в электриче-
скую. Простейшая схема термоэмиссионного преобразователя
энергии показана на рис. 4.19.
В обычной диодной радиолампе мощность, расходуемая на нагрев катода,
примерно равна 10 Вт, а выходная мощность, снимаемая с анода,— 1 мВт. Та-
ким образом, на нагрев расходуется мощность, в 107 раз большая. К. п. д. преоб-
разователя составляет ничтожно малую величину — 0,1 • 10-4%.
Если бы к. п. д. был даже в миллион раз больше, то это устройство все равно
нельзя было бы рассматривать как преобразователь энергии для промышленных
целей. Однако прогресс в развитии термоэмиссионных преобразователей оказался
настолько значительным, что удалось к. п. д. современных диодных преобразова-
телей энергии довести до 20%.
Рис. 4.20. Результирующие силы, действующие на электрон
в металле и вблизи его поверхности
В процессе термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов происходит вы-
ход свободных» электронов, которые совершают работу по преодолению электриче-
ского потенциального барьера, существующего на поверхности металла. Число
свободных электронов в металлах велико: в 1 см3 содержится 6-Ю21 электронов.
Внутри металла силы притяжения электрона сбалансированы положительно заря-
женными ядрами (рис. 4.20). Непосредственно у поверхности металла появляются
результирующие силы притяжения, для преодоления которых и выхода за пре-
делы металла электрону нужно обладать достаточной кинетической энергией.
Увеличение кинетической энергии происходит при нагреве металла.
Наряду с полезной эмиссией электронов с поверхности катода происходит
обратная эмиссия электронов с поверхности анода, которая приводит
к появлению вблизи катода пространственного заряда, препятствующего переме-
щению электронов от катода к аноду. Большая часть электронов, покидающих
катод, возвращается обратно, так и не достигнув анода из-за отрицательного
заряда.
Пространственный заряд можно уменьшить путем: 1) сокращения расстояния
между электродами; 2) увеличения скорости электронов; 3) использования поло-
жительных ионов.
В 1957 г. Хилари Мосс (США) показал, что устранить пространственный
заряд можно при расстоянии между электродами, не превышающем 0,0127 мм.
Тогда же высказывались опасения, что такое расстояние практически не может
быть использовано из-за возможных замыканий электродов, деформируемых при
иагреве, и т. п. Однако уже в 1960 г. фирма «Дженерал электрик» выпустила
в продажу диодные преобразователи специального назначения с еще меньшими
расстояниями между электродами.
Скорость электронов, покидающих катод, можно увеличить с помощью уско-
ряющего электрода, па который подается высокий положительный потенциал.
Схема установки, в которой использует-
ся ускорение электронов, показана иа
рис. 4.21. Траектория движения электро-
нов в этой установке корректируется
ускоряющим электродом и магнитным
полем.
Вблизи катода происходит устране-
ние отрицательного пространственного
заряда положительно заряженными
ионами за счет введения в межэлек-
тродное пространство легко ионизируе-
мого газа. Атомы газа, соударяясь с
Рис. 4.21. Ускорение электрона в тер-
моэмиссионном генераторе:
1 — ускоряющий электрод, 2 — траектории
электронов, А — анод, К — катод
электронами, ионизируются в том слу-
чае, если энергия выхода электрона с катода больше, чем энергия ионизации
атомов газа. Обычно в качестве ионизируемого газа используют пары цезия,
потенциал ионизации которого 3,89 В, а катод выполняют из вольфрама с потен-
циалом выхода 4,52 В. Ведутся поиски других веществ, обладающих лучшими
характеристиками.
При использовании термоэмиссионных генераторов в энергети-
ческих целях для нагрева катода можно воспользоваться теплом,
получаемым в результате ядерной реакции. Схема ядерного термо-
эмиссионного преобразователя приведена на рис. 4.22. К. п. д. пер-
вых таких преобразователей равен примерно 15%; по существую-
щим прогнозам, его можно довести до 40%.
Рис. 4.22, Ядерный термоэмиссионный пре- Рис. 4.23. Установка прямого пре-
образователь: образования ядерной энергии
1 —защита, 2— охладитель, — анод, 4 — вакуум, В электрическую:
5 катод, 6 ядерное горючее ; — ^-радиоактивный излучатель, 2 —
металлическая ампула, 3 — металличе-
ский сосуд
В рассмотренных выше термоэмиссионных генераторах испуска-
ние электронов вызывалось нагревом катода. При радиоактивном
распаде электроны ((1-лучи) испускаются вследствие естественного
свойства элементов. Непосредственно используя это свойство, мож-
но осуществить прямое преобразование ядерной энергии в электри-
ческую (рис. 4.23).
181
§ 4.6. Электрохимические генераторы
В электрохимических генераторах происходит прямое преобра-
зование химической энергии в электрическую.
В конце XIX в. многие исследователи занимались проблемой
создания топливных элементов, в которых непрерывно производил-
ся бы подвод топлива и окислителя, а отводились бы продукты ре-
акции. Многим ученым удалось получить э. д. с., близкие к теорети-
ческим значениям, но величины токов в топливных элементах,
соответствующие им, были ничтожно малы. Чтобы увеличить ско-
рость протекания реакции окисления топлива, приходилось повы-
шать температуры до 700-j-1000° С, что вызывало сильную корро-
зию электродов и других деталей элементов.
В начале XX в. на фоне бурного развития двигателей внутренне-
го сгорания сложная проблема топливных элементов отошла на
второстепенный план. Работы в этой области были возобновлены
^накануне второй мировой войны. В последнее время в связи с раз-
витием космической техники и других специальных отраслей появи-
лась острая потребность в автономных источниках электроэнергии,
превосходящих по своим характеристикам существующие. Это по-
служило стимулом для развития топливных элементов, работаю-
щих на чистом водороде и кислороде с применением драгоценных
металлов в виде катализаторов.
Создание промышленных дешевых топливных элементов, рабо-
тающих на природном топливе и кислороде воздуха, остается пока
довольно сложной научной и технической проблемой, решение ко-
торой позволит человечеству поднять на новую качественную сту-
пень использование органического топлива (практически полного
полезного использования химической энергии топлива) и во многом
облегчить решение проблемы загрязнения окружающей среды.
Появление электрохимии как отрасли техники связано с опытами итальян-
ского врача Луиджи Гальвани, который в 1791 г., препарируя лягушку, вместе
со своими ассистентами обнаружил, что мышцы лягушки сокращаются, если
одним концом проволоки коснуться мышцы, лежащей на металлическом столе,
Рис. 4.24. Переход
положительных ио-
нов цинка I) рас-
твор сернокислого
цинка
а вторым — коснуться стола. Гальвани посчастливилось
впервые наблюдать работу электрохимического генера-
тора. В 1800 г. итальянский физик Алессандро Вольта
создал электрохимический источник электрического тока
в виде столба («вольтова» столба) серебряных и цин.
ковых дисков, между которыми были проложены тка-
ни, пропитанные соленой водой. Позднее такие источни-
ки тока получили название гальванических элементов.
Возникновение э. д. с. в гальваническом
элементе связано со способностью металлов
посылать свои ионы в раствор в результате
молекулярного взаимодействия между ионами
металла и молекулами (и ионами) раствора.
Рассмотрим явления, происходящие при
опускании цинкового электрода в раствор сер-
нокислого цинка (ZnSO4). Молекулы воды
i -л-а*.'.
182
стремятся окружить положитель-
ные ионы цинка в металле (рис.
4.24). В результате действия
электростатических сил положи-
тельные ионы цинка переходят
в раствор сернокислого цинка.
Этому переходу способствует
большой дипольный момент воды.
Два разноименных точечных заряда,
жестко связанных между собой и сме- Рие. 4.25. Возникновение Дипольного
щенных на расстояние I друг от друга, момента
каждый из которых величиной q, назы- _
вают электрическим диполем. Если соединить заряды вектором I, направленным
от отрицательного к положительному (рис. 4.25), то можно определить диполь-
ный момент как вектор, равный произведению величины заряда на вектор i.
p=ql.
Момент пары сил, действующих на диполь, в однородном электрическом Поле
M — qEl sin а.
Наряду с процессом растворения цинка происходит и обратный
процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов
цинка при достижении щми электрода в результате теплового дви-
жения.
По мере перехода положительных ионов в раствор увеличивает-
ся отрицательный потенциал электрода, препятствующий этому пе-
реходу. При некотором потенциале металла наступит динамическое
равновесие, т. е. два встречных потока ионов от электрода в раст-
вор и обратно будут одинаковы. Этот равновесный потенциал назы-
вается электрохимическим потенциалом металла относительно дан-
ного электролита.
В качестве примера рассмотрим работу гальванического элемента Даниэля
(рис. 4.26). Цинковый электрод погружен в раствор цинкового купороса, а мед-
ный— в раствор медиого купороса. Два раствора разделены цилиндром из обож-
женной глииы, который не препятствует движению ионов, но предохраняет рас-
творы от быстрого перемешивания. При нормальной концентрации растворов
электрохимический потенциал цинка ра-
вен —0,50 В, а меди----(-0,61 В. Под дей-
ствием разности потенциалов между элек-
тродами электроны от цинка во внешней
цепи будут перемещаться к меди. Для
восстановления электрохимического потен-
циала цинкового электрода будет проис-
ходить дополнительный переход его поло-
жительных ионов в раствор, а восста-
новление электрохимического потенциала
медного электрода будет сопровождаться
осадком иа нем положительных иоиов.
Применение двух жидкостей позволяет
уменьшить осаждение цинка иа медном
электроде, которое приводит к выравнива-
нию электрохимических потенциалов элек-
тродов (два ‘электрода со временем стано-
вятся цинковыми).
Рис. 4.26. Элемент Даниэля
183
Важное техническое Приложение Гальванические элементы на-
шли в аккумуляторах, где вещество, расходующееся при отборе
тока, предварительно накапливается на электродах при пропуска-
нии через них в течение некоторого времени тока от постороннего
источника (при зарядке). Применение аккумуляторов в энергетике
затруднено вследствие малого запаса активного химического горю-
чего, не дающего возможности получать непрерывно электроэнер-
гию в больших количествах. Кроме того, для аккумуляторов ха-
рактерна малая удельная мощность.
Большое внимание во многих странах мира уделяется установ-
кам, осуществляющим непосредственное преобразование химиче-
ской энергии органического топлива в электрическую энергию,—
топливным элементам. В этих установках могут быть получены бо-
лее высокие значения к. п. д., чем у тепловых машин. В 1893 г.
немецкий физик и химик Нернст вычислил, что теоретический
к. п. д. электрохимического процесса превращения химической
энергии угля в электрическую равен 99,75 %.
На рис. 4.27 показана принципиальная схема водородно-кисло-
родного топливного элемента. Электроды в топливном элементе вы-
полнены пористыми. На аноде происходит переход положительных
ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны создают отри-
цательный потенциал и во внешней цепи перемещаются к катоду.
Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоединяют к себе
электроны, образуя отрицательные ионы, которые, присоединяя из
воды атомы водорода, переходят в раствор в виде ионов гидрокси-
ла ОН-. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образуют
воду. Таким образом, при непрерывном подводе водорода и кисло-
рода будет происходить непрерывная реакция окисления горючего
ионами с одновременным образованием тока во внешней цепи. Так
как напряжение на выводах элемента невелико (порядка 1В), то
элементы последовательно соединяют в батареи. К. п. д. топливных
элементов очень высок. Теоретически он близок к единице, а прак-
тически он равен 60—80%. Использование водорода в качестве то-
плива сопряжено с высокой стоимостью эксплуатации топливных
элементов, поэтому изыскивают-
ся возможности применения дру-
гих видов топлива, в первую оче-
редь природного и генераторного
газа, так как газ относится к де-
шевым видам топлива. Однако
удовлетворительные скорости про-
текания реакции окисления газа
происходят при высоких темпе-
ратурах 800—1200 К, что исклю-
чает применение в качестве элек-
тролитов водяных растворов ще-
лочи. В этом случае могут быть
использованы твердые электро-
литы с ионной проводимостью.
Рис. 4.27. Схема водородно-кислород-
иого топливного элемента:
1 — корпус, 2 — катод. 3 — электролит,
4 — аиод
184
В настоящее время широко ведутся работы над созданием эф-
фективных высокотемпературных топливных элементов. Пока
удельная мощность топливных элементов все еще невелика. Она
в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Од-
нако успехи электрохимии и конструктивные усовершенствования
топливных элементов в недалеком будущем могут сделать вполне
возможным применение топливных элементов в автотранспорте и
энергетике. Топливные элементы бесшумны, экономичны и у них
отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.
§ 4.7. Геотермальные электростанции
Геотермальные электростанции в качестве источника энергии
используют тепло земных недр. Известно, что в среднем на каждые
30—40 м в глубь Земли температура возрастает на 1°С. Следова-
тельно, на глубине 3—4 км вода закипает, а на глубине 10—15 км
температура Земли достигает 1000-4-1200° С. В некоторых частях
нашей планеты температура горячих источников достаточно высо-
кая в непосредственной близости от поверхности. Эти районы наи-
более благоприятны для сооружения геотермальных станций. Так,
в Новой ’Зеландии на геотермальных станциях вырабатывается
40% всей электроэнергии, в Италии — 6%. Значительная доля
электроэнергии на таких станциях вырабатывается и в ряде других
стран.
Рис. 4.28. Геотермальные источники пара в Калифорнии (США)
185
Италия была первой страной,
Рис. 4.29. Схема геотермальной элек-
тростанции для вулканических райо-
нов:
1 — скважина, 2 —паропреобразователь,
3 — турбина, 4 — конденсатор, 5 — насос,
6 — водяной теплообменник
вставшей на путь промышленно-
го использования тепла земных
недр. Этому способствовал недо-
статок обычных энергоресурсов.
Схема использования подземного
тепла относительно проста. Разо-
гретые подземные воды превра-
щаются в пар, который исполь-
зуется на геотермальных элек-
тростанциях и в других техниче-
ских установках. Пар, получае-
мый в недрах Земли, в отличие
от пара, получаемого в парогене-
раторах ТЭС, содержит примеси
различных агрессивных газов, ко-
торые разрушают оборудование
станций. Поэтому пар земных недр либо направляют в теплооб-
менники для получения «чистого» пара, теряя при этом около 25%
тепла, либо используют специальное коррозионностойкое оборудо-
вание. Второй путь в настоящее время считается наиболее целесо-
образным.
На рис. 4.28 показан общий вид местности в Калифорнии
(США) с источниками пара, выходящего из недр Земли.
В СССР для ряда районов, например Камчатки и Курильских
островов, сооружение геотермальных станций может оказаться
экономически оправданным. Так, на Камчатке, с учетом опыта экс-
плуатации первой очереди опытно-промышленной геотермальной
станции мощностью 5 Мвт, планируется строительство второй оче-
реди станции мощностью 25 Мвт. Обсуждаются также возможности
использования действующих вулканов на Курильских островах.
Рис. 4.30. Схема геотермальной электростанции
для невулканических районов:
/ — скважина, 2 — бак-аккумулятор, 3 — расширитель, 4 —
турбина, 5 — генератор, 6 — градирня, 7 — насос, 8 — све-
шивающий конденсатор, 9, /0—насос
186
Структурная схема геотермальной электростанции для вулкани-
ческих районов приведена на рис. 4.29. Схема электростанции для
невулканических районов, располагающих ресурсами термальных
вод с температурой 100° С на глубинах, доступных для современ-
ной буровой техники, приведена на рис. 4.30.
В более отдаленном будущем предполагается использование
высокотемпературных слоев мантии (до 1000° С) для получения
пара, в который будет превращаться вода, закачиваемая в искус-
ственно созданные «вулканические» жерла. Разумеется, что полу-
чаемая таким образом энергия будет «чистой» и не будет (влиять на
биосферу (огромная масса мантии исключает влияние па ее состоя-
ние отбираемого тепла).
§ 4.8. Солнечные электростанции
В предыдущих параграфах было показано большое количество
новых возможностей преобразования энергии, которые в ближай-
шем и отдаленном будущем могут открыться перед человечеством.
Мрогие из них, особенно ядерная и термоядерная энергетика, обе-
щают надолго снять энергетические проблемы с их опасениями
относительно нехватки энергии или даже энергетического голода.
Однако и при этом останутся проблемы переработки расщепляю-
щихся элементов, проблемы отходов радиоактивно опасных ве-
ществ. Наиболее убедительно о проблемах будущего сказал извест-
ный французский физик Ф. Жолио-Кюри: «Хотя я и верю в буду-
щее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, од-
нако я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит
только тогда, когда мы сможем осуществлять массовый синтез мо-
лекул, аналогичных хлорофиллу, или даже более высокого ка-
чества»*.
В самом деле, Солнце — источник всей жизни на нашей планете
и так или иначе источник всех видов получаемой на ней энергии.
Уже давно поэтому человек обращал и обращает вновь и вновь
свое внимание на прямое использование солнечной энергии. Весьма
заманчиво создание солнечных элементов для прямого превраще-
ния солнечной радиации в электрическую энергию.
В солнечных элементах используется явление фотоэффекта, т. е.
вырывание электронов из тела под действием света. Фотоэффект
открыт Герцем в 1887 г. и детально исследован А. Г. Столетовым
в 1888 г. Несмотря на то что фотоэлектрический эффект известен
давно, природа его пока полностью не изучена. Практическое ис-
пользование фотоэффекта для получения электроэнергии стало
возможным в последнее время в связи с прогрессом физики полу-
проводников.
* Жолио-Кюри Ф. Избранные труды. Изд-во АН СССР, 1957, с. 518.—
Об организации науки во Франции. Доклад на ноябрьской сессии Отделения фи-
зико-математических наук АН СССР в Москве 10 ноября 1949 г.
187
188
Рис. 4.31. Продолжение
б — общий вид
При соприкосновении полупроводников с электронной (п-типа)
и дырочной (p-типа) проводимостями на границе образуется кон-
тактная разность потенциалов вследствие диффузии электронов.
Если полупроводник с дырочной проводимостью освещается, то его
электроны, поглощая кванты света, переходят на полупроводник
с электронной проводимостью. В замкнутой цепи при этом обра-
зуется электрический ток.
В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэле-
менты, на которые действуют как направленные солнечные лучи,
так и рассеянный свет. К. п. д. кремниевых фотоэлементов повы-
шается с понижением температуры, т. е. они могут одинаково ус-
пешно работать и зимой, и летом. Зимой снижение светового пото-
ка компенсируется увеличением к. п. д. за счет понижения темпера-
туры. к. п. д. кремниевых фотоэлементов достигает примерно 15%.
Из-за сложной технологии изготовления полупроводников и их
большой стоимости кремниевые фотоэлементы применяются пока
на уникальных установках, например на спутниках Земли.
В будущем возможно широкое использование фотоэлектриче-
ских генераторов, преобразующих огромные количества энергии,
получаемой в виде солнечной радиации.
Солнечная энергия может быть использована также в фото-
электрических процессах, организуемых подобно естественному
фотосинтезу органических веществ. Именно этот путь наиболее за-
манчив и от него надо ожидать будущего решения проблем энерге-
тики. -j
Огромное количество солнечной энергии, приходящейся на Зем-
лю (примерно 0,15 МВт-ч па 1 м2 поверхности в год), в совремеп-
189
ных условиях затруднительно использовать из-за низкой плотности,
которая к тому же зависит от состояния атмосферы (облачности) и
времени года.
На международных энергетических конференциях 1974 г.
(ЮНЕСКО, СИГРЭ) были сделаны предположения об использо-
вании солнечных станций на искусственных спутниках Земли.
В этом случае солнечная энергия будет аккумулироваться в тече-
ние 24 ч, а следовательно, эффективность работы станции не будет
зависеть от облачного покрова. Передача энергии на Землю долж-
на осуществляться по каналу УКВ. Принципиальная схема солнеч-
ной станции на искусственном спутнике и ее общий вид представле-
ны на рис. 4.31, а, б. Размеры спутника-коллектора солнечной энер-
гии (рис. 4.31, а) могут быть различны (от 20 до 100 км2) в зави-
симости от мощности станции.
Энергия от солнечных элементов космической станции должна
передаваться на Землю с помощью антенны в виде достаточно узко-
го пучка УКВ-волн (длина волны «10 см). Приёмная антенна на
Земле будет принимать этот пучок энергии, который затем должен
будет преобразовываться в энергию промышленной частоты.
Ожидается, что весь процесс будет характеризоваться достаточ-
но высоким к. п. д. В настоящее время к. п. д. преобразования
энергии солнечными элементами на монокристаллах составляет
11%. Сообщалось о достигнутом к. п. д. в 16%. Предполагается,
что путем усовершенствования кремниевых элементов может быть
достигнут к. п. д. 20%. Монокристаллы из арсенида галлия обеспе-
чивают к. п. д. 14%, а на отдельных ячейках получен к. п. д. 18%.
Расчетные значения к. п. д. преобразования энергии на косми-
ческих станцийх приведены в табл. 4.4.
' Таблица 4. 4
К. п. д. Достигнутые в настоящее время Ожидаемые при существу- ющей техно- логии Ожидаемые за счет дальнейших разработок
Генерации УКВ-потока энергии Передачи энергии с выхода гене- ратора до створа антенны Улавливания и детектирования Суммарный * Такое значение продемонстрировано н С уровнем мощности 300 кВт. * * На частоте 2450 МГц (длина волны 12 76,7* 94,0 64,0 26,5** частоте 3000 М ,2 см). 85,0 94,0 75,0 60,0 'ц при непрерьн 90,0 95,0 90,0 77,0 ной генерации
Космические солнечные станции могут быть спроектированы
на полезную электрическую мощность 3—20 ГВт и более. Размер
солнечной батареи станции с полезной выходной мощностью 5 ГВт
можно оценить исходя из к. п. д., равного 15%. Соответствующая
такой станции суммарная поверхность солнечной батареи имеет
примерно 20 км2. Передающая антенна должна иметь диаметр 1 км,
190
приемная антенна — диаметр 7—10 км. Плотность пучка УКВ-волн
со станции на Землю при этом составит всего ’/s нормальной плот-
ности солнечной энергии, поэтому он не будет представлять опас-
ности ни для летательных средств, ни для птиц. Вопрос, связанный
с радиопомехами, не должен стать серьезной проблемой.
Технические проблемы состоят только в улучшении достигнутой
технологии и совсем не требуют разработки принципиально новых
решений. Возникли и обсуждаются два основных вопроса:
1. Не будут ли солнечные элементы разлагаться под воздейст-
вием радиации и разрушаться микрометсоритами?
2. Не будет ли энергия, затраченная на изготовление станции и
запуск ее на орбиту искусственного спутника, превышать энергию,
которую солнечная станция выработает в течение срока службы?
Авторы такого рода проектов доказывают, что вполне достижим
срок службы 30 лет, а затраченная энергия окупится уже в первый
год работы станции.
Основной составляющей стоимости проекта является стоимость
челночных полетов космических ракет для переброски станции на
орбиту искусственного спутника. Запуск прототипа солнечной стан-
ции мощностью в несколько сотен мегаватт оценивается удельными
затратами з 1920—1940 долл/кВт. Для последующих промышлен-
ных станций эти расходы должны уменьшиться до 800 долл/кВт.
Существуют предложения о строительстве крупных наземных
солнечных станций. В университете Аризоны (США) проводят ис-
следования специальных селективных поверхностей, которые про-
зрачны для солнечных лучей, но непрозрачны для более длинных
волн излучения, что позволяет создавать своего рода «ловушки
энергии», как в парниках.
Имеются и более крупные проекты, но у всех у них один недоста-
ток, общий для наземных станций, — зависимость от условий ат-
мосферы и времени года. Поэтому, хотя в отдельных местах земной
поверхности такие проекты могут быть вполне промышленно реаль-
ны, рассматривать их как «решение будущего» не приходится.
Думая о будущем использовании энергии, инженеры вновь об-
ращаются к старым идеям. Одна из них состоит в создании искус-
ственного ветра за счет нагрева большой поверхности. Полученный
поток воздуха будет вращать турбины.
Солнечная энергия может непосредственно использоваться для
нагрева воды в бытовых условиях, обогрева зданий и кондициони-
рования воздуха. Преимуществом использования солнечной энер-
гии для этих целей является отсутствие какой-либо зависимости от
размеров установки.
Используя энергию для бытовых нужд, следует решить вопрос
о наиболее рациональном ее применении и необходимости увеличе-
ния потребления. Следует еще много сделать для уменьшения по-
терь энергии за счет улучшения конструкции зданий и улучшения
теплоизоляции.
Большое внимание уделяется перспективе использования сол-
нечной энергии в промежуточном процессе получения топлива. Так,
191
на упоминавшихся выше конференциях высказывались соображе-
ния о том, что, возможно, в будущем будут построены крупные сол-
нечные станции, энергия которых может быть использована для
синтеза топлива на основе углеводорода, например метанола из
известняка и воды. Такое производство жидкого топлива позволит
избежать проблемы хранения и передачи энергии на значительные
расстояния. Жидкое топливо может затем распределяться и ис-
пользоваться, как обычно.
При оценке энергетики будущего много внимания уделяется
роли солнечной энергии в решении энергетического кризиса. Отме-
чалось, что в 1970 г. мировое потребление энергии составило
6,8-109 т у.т., что соответствует в среднем 1,9 т у.т. на человека
в год (обычно принимается, что расход 1 т у.т. в год соответствует
мощности 1 кВт).
Если рассчитывать суммарное потребление энергии в мире,
исходя из потребления энергии в США, то это количество следова-
ло бы умножить на шесть (в США потребление топлива на 1 чело-
века составляет 11,1 т/год, а в Индии — только 0,19 т/год). Конеч-
но, указанное увеличение потребления энергии произойдет не ско-
ро, однако имеются все показатели такой тенденции.
Наличие благоприятных условий во многих развивающихся
странах позволяет использовать для практических целей солнечную
энергию. В направлении применения солнечной энергии уже вы-
полнен ряд работ и доказана возможность ее использования для
опреснения и дистилляции воды, приготовления пищи, нагрева во-
ды, привода насосов и для многих других целей. В целом несомнен-
но, что человечество в будущем обратится к Солнцу — главному
источнику энергии, которую и будет применять различными путями.
Один из таких путей предлагается реализовать в проекте ис-
пользования явления фотосинтеза для улавливания и накопления
энергии. Некоторые из проектов пока могут рассматриваться то-
лько как гипотетические, но некоторые — уже как практически
осуществимые. Общим для всех проектов является стремление
сократить тот длительный промежуток времени, который отделя-
ет падение на Землю солнечного света и развития благодаря ему
различных организмов от образования из этих организмов иско-
паемого топлива (угля и нефти).
Одна из сложнейших проблем на пути к осуществлению за-
манчивой идеи об использовании растений в качестве основного
энергетического источника заключается в низкой эффективности
фотосинтеза как способа превращения солнечной энергии в хими-
ческую. Считается, что благодаря фотосинтезу ежегодно в перес-
чете на сухой вес образуется около 155 млрд, т органической
массы, главным образом целлюлозы, которую можно использо-
вать или непосредственно как топливо, или как продукт для по-
лучения топлива. Из-за низкого к. п. д. энергетического преобра-
зования пришлось бы значительно увеличить посевные площади
для получения энергии в необходимых количествах. Поэтому
весьма важно проводить исследования, направленные на увели-
192
чение к. п. д. преобразования, использовать наиболее удачные
для этих целей растения, по возможности создавать наиболее оп-
тимальный искусственный газовый состав и т. п. Например, если
выращивать кукурузу с целью получения энергии, а не на корм
скоту, то стоимость такой энергии будет сравнима с нынешней
стоимостью ископаемого топлива в США. Если использовать для
этой цели хвойный лес, в котором бы на акр (1 акр = 0,4 га)
приходилось около 6 тыс. деревьев, и «собирать» урожай раз в
12 лет, то вследствие замедленного роста деревьев и некоторых
других факторов стоимость производимой из них энергии возра-
стет примерно вдвое и составит около 3 долл, за 1 млн. британ-
ских единиц тепла (1 Btu = 1,05506 -103 Дж^1,055 кДж). Мно-
голетние растения имеют одно неоценимое преимущество перед
однолетними: урожай с них можно собирать в течение всего года
в соответствии с потребностями, и при этом не возникает проб-
лем, связанных с созданием огромных хранилищ «энергетических
урожаев», которые заготавливают только в определенный сезон.
Поэтому для производства энергии обратились к быстро расту-
щим лиственным деревьям, у которых после порубки корни да-
ют побеги, что позволяет избежать ежегодных посадок.
На экспериментальных участках заброшенных пахотных зе-
мель в Центральной Пенсильвании выращиваются гибридные то-
поля. Один из гибридов, высаженный в количестве примерно 3700
деревьев на акр, «производит» энергию стоимостью от 1,25 до
11,45 долл, за 1 млн. Btu (по сравнению с нынешней стоимостью
1,97 долл, за 1 млн. Btu для нефти и 1,31 долл, за 1 млн. Btu для
угля). Такая плантация может давать около 120 млн. Btu с акра
в год при к. п. д. энергетического преобразования порядка 0,6%.
Для обеспечения топливом средней электростанции мощностью
400 МВт потребуется плантация площадью 30 тыс. акров. Для
снабжения топливом, получаемым на «энергетических плантациях»
всех электростанций в США, потребуется не более 160 млн. ак-
ров даже при коэффициенте преобразования солнечной энергии
в топливо, не превышающем 0,4% •
§ 4.9, Использование энергии реакторов-размножителей
и термоядерных реакций
Реакторы-размножители позволяют человеку полностью ис-
пользовать энергию, запасенную природой в тяжелых ядрах ура-
на и тория. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах мо-
гут обеспечить наиболее эффективное использование природных
ресурсов, для них характерен высокий тепловой к. п. д. В нашей
стране .ведутся планомерные работы по усовершенствованию та-
ких реакторов. В 1958 г. в г. Обнинске вступил в строй реактор
БР-5 с номинальной электрической мощностью 5 МВт; в 1972 г.
этот"реактор был модернизирован. Первым «прототипом» энерге-
тической станции будущего с реакторами на «быстрых» нейтро-
нах стала вступившая в строй в 1973 г. станция в г. Шевченко с
7 Зак. 1540 193
реактором БН-350. Этот реактор вырабатывает пар для турбин и
установок опреснения воды (обозначение БН-350 означает, что
мощность реактора 350 МВт). В г. Белоярске сооружается реак-
тор БН-600, который должен вступить в строй в конце 1977 г.
Следующим этапом отечественной программы станет строитель-
ство промышленной электростанции с реактором БН-1500 (1500
МВт), который в настоящее время находится в стадии проектиро-
вания.
В целях безопасности (в случаях маловероятных утечек ра-
диоактивных веществ из первичных контуров охладителя) реак-
тор и компоненты первичных контуров размещаются в ряде же-
лезобетонных камер, которые, в свою очередь, окружаются со.
всех сторон лабиринтом помещений, камер и коридоров, зак-
лючающих в себе менее важные системы установки. Утечка па-
ров из первичного контура постепенно, по мере того как пары
поступают из камеры в камеру, из помещения в помещение, ста-
новится менее опасной.
Роль реакторов-размножителей в решении проблемы выра-
ботки человечеством больших количеств энергии велика. Однако
несомненно, что еще большее значение будет иметь овладение
управляемым синтезом легких элементов, так как при этом бу-
дет получен практически неисчерпаемый источник энергии. В мо-
рях нашей планеты содержатся легкие, поддающиеся синтезу
элементы, которые могут обеспечить человечество энергией на
многие миллионы лет.
Основная доля энергии звезд и Солнца, как удалось доказать
Гансу Бете в 1939 г., выделяется при синтезе легких элементов.
Если на Земле удастся осуществить управляемую реакцию син-
теза легких элементов, то это, образно говоря, будет означать
появление на нашей планете искусственных маленьких солнц,
способных обеспечить энергией многие поколения. Синтезируемый
легкий элемент — дейтерий — может быть относительно просто и
без больших затрат получен из воды морей и океанов нашей
планеты.
Проблема состоит в осуществлении управляемой реакции син-
теза. Ядерный синтез был известен за несколько лет до откры-
тия явления деления ядер. В 1931 г. Гарольд Юра впервые выде-
лил дейтерий из воды и с помощью небольших ускорителей по-
казал, что реакция синтеза двух ядер дейтерия сопровождается
выделением энергии. Реакция синтеза происходит в случае, ког-
да ядрам сообщается достаточно большая скорость, при которой
они обладают энергией, позволяющей преодолеть энергию элек-
тростатического отталкивания положительно заряженных ядер.
Ускорители оказались недостаточно эффективными для получе-
ния источников энергии, имеющих практическое значение.
В естественных условиях в звездах и на Солнце протекают
термоядерные реакции при высоких температурах. На Земле вы-
сокая температура, необходимая для осуществления реакции
синтеза легких элементов, может быть получена в результате
194
взрыва атомной бомбы. Практически мгновенная реакция син-
теза происходит в водородных бомбах. Получение непрерывной
реакции синтеза возможно при следующих условиях:
1) топливо должно быть чистым и состоять из легких ядер.
В качестве потенциального топлива рассматривают дейтерий и три-
тий— изотопы водорода с атомным весом 2 и 3 соответственно;
2) плотность топлива должна быть не меньше 1015 ядер в
1 см3;
3) температура должна быть не меньше 100 млн.° С и не боль-
ше 1 млрд.° С.
4) максимальная температура топлива при необходимой его
плотности должна удерживаться на протяжении десятых долей
секунды.
Одно из основных препятствий состоит в удержании плазмы,
которой свойственна чрезвычайная нестабильность. В! естествен-
ных условиях на Солнце плазма удерживается в сильном грави-
тационном поле. На Земле плазму можно удержать в специаль-
ном сильном магнитном поле.
Реакцию синтеза можно получить также, используя нагрев ве-
щества лазерным лучом короткими импульсами — длительностью
порядку 10-9 с. В коротких световых импульсах сосредоточива-
ется энергия большой величины. Из-за непродолжительности им-
пульсов тепловая энергия не успевает рассеяться и создается
плазма небольшого объема с температурой, достаточной для про-
текания термоядерной реакции синтеза. В физическом институте
АН СССР им. И. Н. Лебедева в 1968 г. впервые были зафикси-
рованы нейтроны, возникающие в плазме, нагретой лазерным
лучом.
Возможность создания термоядерных реакторов, работающих
короткими импульсами при воздействии лазерных лучей, зависит
от успехов в разработке лазеров с высоким к. п. д. В настоящее
время этот к. п. д. еще очень низок.
Работы по осуществлению термоядерного синтеза наиболее
широко ведутся в СССР и США. О достижениях советских уче-
ных сообщил в 1969 г. акад. Л. А. Арцимович. В СССР в Инсти-
туте атомной энергии им. И. В. Курчатова на установке «Тока-
мак» в течение 0,02 с удалось удерживать плазму, температура
которой достигла 5 млн.° С, а плотность составила 7-Ю13 ядер в
1 см3. Благодаря этим результатам ученые вплотную подошли к
решению проблемы получения энергии за счет ядерного синтеза.
Реакция синтеза изотопов водорода — дейтерия и трития —
протекает по схеме, представленной на рис. 4.32.
Получение энергии за счет синтеза ядер обладает рядом су-
щественных преимуществ:
1) используется дешевое топливо с практически неисчерпаемы-
ми запасами;
2) исключаются возможности аварий ядерных установок (напо-
добие аварий на АЭС) при возникновении неуправляемой реакции
деления ядер;
7*
195
Рис. 4.32. Реакция синтеза изотопов водоро-
да — дейтерия и трития
3) получаются неток-
сичные и нерадиоактив-
ные конечные продукты
термоядерного синтеза;
4) непосредственно пре-
образуется энергия заря-
женных частиц, из кото-
рых состоит высокотемпе-
ратурная плазма, в элек-
трическую энергию в
МГД-генераторах. При
этом могут быть полу-
чены высокие значения
к. п. д. (до 90%), что по-
зволяет резко сократить тепловое загрязнение окружающей
среды.
При конструировании и эксплуатации возможных термоядер-
ных электростанций потребуется применять меры предосторож-
ности, так как тритий радиоактивен, а по всей вероятности имен-
но этот элемент будет использоваться в качестве топлива. Тритий
не обладает сильно проникающей радиацией и поэтому в основ-
ном нужно опасаться попадания его внутрь организма. Необходи-
мо будет предусмотреть также защиту от потока нейтронов, ко-
торым сопровождается реакция синтеза. Нейтроны, вступая во
взаимодействие с материалами окружающей среды, приводят к
возникновению «наведенной» радиоактивности.
Создание термоядерных станций начинается уже сейчас. Ана-
лиз gcex возможных энергетических источников убедительно по-
казыва'ет, что большой энергетике будущего следует ориентиро-
ваться не только на урановые атомные электростанции, но в пер-
спективе и на термоядерные.
0 настоящее время, т. е. спустя 25 лет после начала термо-
ядерных исследований, началось резкое наращивание темпа работ
в этом направлении. Япония,’например, решила сразу в десять (!)
раз увеличить финансирование термоядерных исследований и соз-
дать специальный институт*. Американское правительство приня-
ло ряд решений об ускорении программы развития исследований
в этой области. На 1976—1980 гг. только на работы по магнитному
удержанию плазмы США предполагают выделить более 1 млрд,
долл. В Западной Европе также решено увеличить вложения в
термоядерные исследования и объединенными усилиями построить
крупную установку. С ускорением темпа работ появляется возмож-
ность уже в этом столетии подойти к реализации экономически
наиболее выгодных решений.
В 1975 г. на конференции в Дубне обсуждались четыре проекта
демонстрационных термоядерных реакторов — европейский (стран
* Газета «Известия» от 5 VII 1975 г. — Путь к термоядерным электростан-
циям.
196
'IM
«Общего рынка»), японский, американский и советский. Предпо-
лагается, что установки должны работать на смеси дейтерия с
тритием, т. е. в них должна идти полномасштабная термоядерная
реакция. Выход термоядерной энергии не будет превышать затрат
обычной электрической энергии на поддержание работы реакторов,
но и в то же время он будет достаточно велик. Эти реакторы еще
не будут промышленными, но их и нельзя назвать чисто экспери-
ментальными. Это прообразы энергетических реакторов.
Создание рассмотренных реакторов хотя и не представляет со-
бой решающий этап в термоядерной проблеме, однако чрезвы-
чайно важно. Это переход от традиционных исследований высо-
котемпературной водородной плазмы к реакторам с дейтериево-
тритиевой плазмой, где протекает интенсивная термоядерная реак-
ция. От чисто научных разработок здесь уже переходят к кон-
структорским, инженерным решениям. Конструкторские трудности
могут оказаться не менее сложными, чем научные, и чем раньше
начать их преодолевать, тем лучше.
Все четыре проекта — это системы типа «Токамак». «Тока-
мак»— направление, которое зародилось еще на заре термоядер-
ных исследований и в последние годы успешно развивалось в на-
шей стране под руководством акад. Л. А. Арцимовича. Само слово
«токамак» было выбрано, чтобы показать, что идея складывается
из нескольких составляющих. Первая — «ток» — означает, что в
установках используется сильный электрический ток для нагрева
плазмы, а вторая — «мак» — то, что плазма удерживается мощ-
ным магнитным полем в специальной камере.
Установки типа «Токамак» обычно представляют собой торои-
дальную камеру, наполненную газом, в которой создается кольце-
вой электрический ток. Этот ток разогревает газ, образует плаз-
му и способствует удержанию ее с помощью собственного магнит-
ного поля. В обсуждаемых проектах объем плазмы составляет мно-
гие десятки и даже сотни кубических метров, а протекающий
ток — несколько миллионов ампер.
Например, проект советского демонстрационного реактора (по-
ка он условно именуется Т-20) представляет собой наиболее круп-
ную из рассматриваемых установок. Предполагается, что ток в нем
будет достигать 5—6 млн. А, объем плазмы — 400 м3. Эта уста-
новка позволит длительно работать с тритиево-дейтериевой плаз-
мой и детально изучить поведение материалов в мощном потоке
нейтронов.
Для осуществления термоядерных реакций нужно как можно
дольше удерживать плазму в сжатом состоянии, не давать горя-
чим частицам «убегать» к стенкам установки. Особенность тока-
маков в том, что здесь время удержания частиц плазмы в магнит-
ной ловушке прямо зависит от размеров установки. Поэтому, уве-
личивая размеры токамаков, можно выйти на режим энергетичес-
кого реактора, когда получаемая термоядерная энергия будет пре-
вышать величину вкладываемой. Очень важно, что увеличением
размеров токамаков решают чисто физические задачи удержания
197
плазмы и прорабатывают инженерные проблемы создания реакто-
ра. Можно полагать, что к 1980—1985 гг. первый испытательный
термоядерный реактор будет создан. А еще лет через пять можно
уже будет ставить вопрос о создании энергетического термоядер-
ного реактора, а может быть, даже и термоядерной электростан-
ции.
Существенно отметить международный характер развития ис-
следований по управляемому термоядерному синтезу и в этом —
инициатива Советского Союза. Во время визита в Англию нашей
правительственной делегации в 1956 г. акад. И. В. Курчатов рас-
сказал о наиболее интересных результатах, достигнутых в этой
области в нашей стране. Позже примеру Советского Союза после-
довали и другие страны. Оказалось, что, работая независимо друг
от друга в условиях строгой секретности, ученые разных стран
пришли к одинаковым идеям осуществления управляемого термо-
ядерного синтеза. С тех пор эти работы ведутся открыто с широ-
ким обменом результатами, обсуждением перспективных идей.
В последние годы в разработку установок «Токамак» включи-
лись исследователи США, Европы, Японии. Результаты исследова-
ний на установке «Токамак-10» вместе с результатами, которые
будут получены на вновь создаваемых установках за рубежом, бу-
дут достаточной базой для создания в 1980—1985 гг. первого тер-
моядерного реактора.
Установка «Токамак-10», сооруженная в Институте атомной
энергии имени И. В. Курчатова в 1975 г., уже позволила получить
рекордные характеристики плазмы и термоядерных нейтронов.
Для осуществления контролируемой реакции синтеза использу-
ются также лазерные, электронные или ионные импульсы, предназ-
наченные для собщения огромной энергии термоядерному топливу
за время, меньшее 0,1 • 10-6 с.
Создание высокомощных и высокоэффективных лазеров вызы-
вает трудности, в то время как генераторы электронных пучков
уже на нынешнем уровне своего развития сравнительно просто
способны давать весьма мощные пучки. В настоящее время в на-
шей стране строятся два высокомощных лазера, каждый из кото-
рых должен обладать способностью выдавать импульсы излуче-
ния по 10 тыс. Дж.
Сложную проблему представляет разработка такой системы
утилизации термоядерной энергии, которая была бы способна уце-
леть, несмотря на быстро повторяющиеся взрывы под действием
лазерных пучков. Достижение приемлемого энергетического вы-
хода требует весьма высокой частоты повторения взрывов, ана-
логично повторяющимся актам зажигания горючей смеси в авто-
мобильном двигателе внутреннего сгорания.
Глава 5
электроэнергетика
§ 5.1. План ГОЭЛРО — первый в мире государственный план
развития народного хозяйства
План электрификации России (ГОЭЛРО) — первый в истории
человечества единый государственный перспективный план разви-
тия всех отраслей народного хозяйства — разработан по заданию
В. И. Ленина. В. И. Ленин видел в использовании электроэнергии
в народном хозяйстве не только источник глубочайших революци-
онных преобразований в технике, но и источник огромных прогрес-
сивных воздействий на историческое развитие общества.
Еще основоположники научного коммунизма К. Маркс и Ф. Эн-
гельс увидели в открывающихся перспективах электроэнергетики
новый этап в экономическом, политическом и культурном развитии
человечества. Так, вспоминая о своей беседе с К. Марксом, В. Либ-
кнехт писал: «Вскоре у нас зашла речь об естествознании, и Маркс
издевался над победоносной реакцией в Европе, которая вообра-
жает, что революция задушена, и не догадывается, что естествозна-
ние подготовляет новую революцию. Царствование его величества
пара, перевернувшего мир в прошлом столетии, окончилось; на его
место станет неизмеримо более революционная сила — электриче-
ская искра»*.
Электрическая энергия обладает кардинальными преимущества-
ми по сравнению с другими видами энергии. Отмечая эти преиму-
щества, В. И. Ленин в 1901 г. писал: «Электрическая энергия де-
шевле паровой силы, она отличается большей делимостью, ее го-
раздо легче передавать на очень большие расстояния...» **.
В ряде работ В. И. Ленин показывает, что планомерное разви-
тие электрификации высокими темпами требует организации пла-
нового ведения хозяйства всей страны, чего не может быть в капи-
талистическом обществе. Уровень развития техники, основываю-
щейся на использовании энергии электричества, не соответствует
капиталистическим общественным отношениям, которые тормозят
технический прогресс. В условиях социалистического общества
электрификация играет важнейшую роль, она обеспечивает суще-
ственное повышение производительности труда во всех отраслях
народного хозяйства. Указывая на то, что Советская власть обес-
* Либкхпет
туры, 1968, с. 7 8.
** Ленин В.
В. Воспоминания о Марксе. Изд-во политической
лнтеря-
II. 11<>лн. собр. соч., т. 5, с. 138.
199
печивает политическую сторону строительства социализма и ком-
мунизма, В. И. Ленин писал, что «...экономическая (сторона) мо-
жет быть обеспечена только тогда, когда действительно в русском
пролетарском государстве будут сосредоточены все нити крупной
промышленной машины, построенной на основах современной тех-
ники, а это значит — электрификация»*.
В эпоху научно-технической революции изменения в управлении
промышленностью, в том числе энергетикой, происходят не только
в странах социализма, но и там, где господствующей осталась ка-
питалистическая система. Буржуазии промышленно развитых стран
приходится вводить несвойственные ей элементы планирования хо-
зяйства вообще и энергетики в частности. Капитализм при этом не
меняет своей сути, так как прибыль и конкуренция по-прежнему
проявляются как его движущие силы. Показательно, что почти все
развитые капиталистические страны были вынуждены не только
провести национализацию энергетики, но и планировать ее разви-
тие, создавать общенациональные и международные объединения
энергетических систем. Национализируя энергетику, мрогие капи-
талистические страны успешно развивают общесистемную автома-
тику, обеспечивают высокий технический уровень решения задач
энергетики.
Развитые капиталистические страны (такие, как США), в кото-
рых не проведена национализация энергетики, испытывают серьез-
ные затруднения в осуществлении координированного управления
энергоустановками. Именно из этих затруднений складываются
в конечном счете причины, приводящие к авариям, которые нано-
сят огромный материальный и моральный ущерб. Особенно тяже-
лые последствия вызвала авария в США в ноябре 1965 г.
Высокие количественные показатели развития энергетики тре-
буют качественно новых форм ее организации, в первую очередь
построения крупных объединенных энергетических систем.
В первые же годы после Великой Октябрьской революции в на-
шей стране были начаты работы по революционному преобразова-
нию всей экономики, всего народного хозяйства на основе всеобщей
электрификации.
Внедрение электротехники в народное хозяйство служит мощ-
ным фактором, устраняющим противоположности между городом и
деревней. По этому поводу В. И. Ленин писал: «...нет ровно ника-
ких технических препятствий тому, чтобы сокровищами науки и ис-
кусства, веками скопленными в немногих центрах, пользовалось
все население, размещенное более или менее равномерно по всей
стране»**. В наше время широко развитая система радиосвязи и те-
левидения, густая сеть линий электропередач, покрывшая террито-
рию страны, ярко доказывают гениальность предвидения Ленина.
Задачу электрификации России и основные ее моменты В. И. Ле-
нин изложил в письме к Г. М. Кржижановскому 23 января 1920 г.,
* Ленин В. И. Поли. собр. соч., т. 42, с. 31.
** Л ей и п В. И. Поли. собр. соч., т. 5, с. 151.
200
в котором говорится о необходимости «...дать сейчас, чтобы нагляд-
но, популярно, для массы увлечь ясной и яркой (вполне научной
в основе) перспективой: за работу-де, и в 10—20 лет мы Россию
всю, и промышленную и земледельческую, сделаем электрической» *.
Государственная комиссия по электрификации России (ГОЭЛРО)
была создана 24 марта 1920 г. под председательством Г. М. Кржи-
жановского. В состав комиссии вошли видные ученые и инженеры,
такие, как Г. О. Графтио—автор проектов Волховской и Свирской
гидроэлектростанций, И. Г. Александров — автор проекта Днепров-
ской гидроэлектростанции, Б. И. Угримов, К. А. Круг, И. Н. Баш-
ков, М. А. Шателен и Е. Я. Шульгин. Всего к работе в комиссии
было привлечено около 200 виднейших деятелей науки и техники.
В крайне тяжелых условиях комиссия в короткий срок продела-
ла большую работу, результаты которой представлены в книге
«План электрификации РСФСР», написанной на 650 с. Выступая
па VIII Всероссийском съезде Советов, В. И. Ленин назвал книгу
с изложением плана «второй программой партии». В плане предус-
матривалось выполнение двух программ: программы А — восста-
новления и реконструкции существующих электростанций и объеди-
нения их электрическими сетями — и программы В — сооружения
в течение 10—15 лет 30 новых крупных электростанций общей мощ-
ностью 1750 МВт. Предусматривалось также развитие электриче-
ских сетей и объединение электростанций на параллельную работу
в радиусе 200—400 км, т. е. создание энергосистем. Для выработки
электроэнергии предполагалось сооружение крупных районных
станций с лучшими (по сравнению с мелкими станциями) техничес-
кими и экономическими показателями.
В плане ГОЭЛРО наряду с развитием электроэнергетики рас-
смотрено комплексное развитие различных отраслей народного хо-
зяйства, в первую очередь создание крупной машинной индустрии.
При этом темпы ввода по плану энергетических мощностей должны
быть быстрее, чем темпы роста других отраслей промышленности.
Так, за 10—15 лет выпуск промышленной продукции должен был
увеличиться на 80—100%, а мощность электрических станций за
это же время должна была возрасти в 2,5 раза.
В соответствии с Ленинскими принципами электрификации
в плане предусматривалось районирование страны, проводимое
с учетом природных сырьевых энергетических ресурсов и специфи-
ческих национальных условий. При этом районы, имевшие источ-
ники энергии, не рассматривались только как ее поставщики; одно-
временно со строительством энергетических объектов там разви-
валась крупная промышленность, электрифицировалось сельское
хозяйство, быт, проводилась механизация и автоматизация наибо-
лее тяжелых, трудоемких работ, менялись условия труда и этим
обеспечивался подъем культуры на окраинах страны, в условиях
щарекой России остававшихся дикими. За годы действия плана
* Л е н и н В. И. Поли. собр. соч., т. 40, с. 62.
201
ГОЭЛРО различие в уровнях промышленного развития экономи-
ческих районов СССР сократилось более чем в 20 раз.
При создании плана ГОЭЛРО и последующей реализации его
идей соратник В. И. Ленина Г. М. Кржижановский и его научная
школа заложили основы современной энергетической науки, впер-
вые в мире реализовав современный подход к энергетике как
к большой системе, обладающей определенными закономер-
ностями. В дальнейшем, и особенно в настоящее время в условиях
научно-технического прогресса, в развитие энергетики как науки
было внесено много нового. Однако основные, наиболее существен-
ные положения, высказанные впервые в плане ГОЭЛРО, остаются
в силе и по настоящее время; они являются базой для создания сов-
ременных ЕЭС. •
Планом ГОЭЛРО предусматривалось:
— наиболее экономичное использование топлива, достигаемое
совместной параллельной работой различных ТЭС и ГЭС;
— широкое использование на электростанциях местных топлив-
ных ресурсов;
— использование на ГЭС водных энергетических ресурсов, в осо-
бенности в районах, бедных органическим топливом;
— создание высоковольтных электрических сетей, объединяю-
щих мощные станции. Это позволяет увеличить выработку электро-
энергии на удаленных электростанциях, работающих на местном
•дешевом топливе.
План рассматривался авторами как начало большого строитель-
ства, которое с течением времени должно корректироваться с бо-
лее широких позиций, с учетом новых технических возможностей.
В предисловии к плану ГОЭЛРО написаны пророческие слова: «За
нами прцйдут другие люди, которые в более спокойное время, с бо-
лее совершенным запасом сил и средств, смогут продолжить наш
научный анализ, исправить наши ошибки и развернуть более ши-
рокие перспективы»*.
План ГОЭЛРО был реализован в кратчайший из намеченных
сроков — за 10 лет — к 1931 г. За это время мощность электро-
станций увеличилась на 1775 МВт, а общая установленная мощ-
ность электростанций достигла 3972 МВт. К конечному сроку —
1935 г.—-план был перевыполнен по всем основным показателям
развития народного хозяйства. За годы осуществления плана было
построено 40 районных электростанций вместо намеченных 30.
В 1935 г. СССР занимал второе место в Европе и третье в мире по
мощности электростанций.
План ГОЭЛРО представляет не только исторический интерес.
Его принципы используются при решении современных задач, свя-
занных с созданием Единой энергетической системы Советского
Союза, объединенной с системами социалистических стран. Основ-
ной итог плана ГОЭЛРО заключается в том, что на его основе в ис-
* План электрификации Р.С.Ф.С.Р. Гостехиздат, 1920.
202
торически короткие сроки была преодолена вековая отсталость цар-
ской России. Так, в 20-е годы наша страна занимала одно из пос-
ледних мест по выработке энергии, а уже в конце 40-х годов она
заняла первое место в Европе и второе в мире.
§ 5.2. Электроэнергетика СССР
Благодаря успешному выполнению плана ГОЭЛРО и быстрому
наращиванию мощностей уже к 1935 г. Советский Союз по произ-
водству электроэнергии опередил многие промышленно развитые
страны, такие, как Англия, Франция, Италия, и занял второе ме-
сто в Европе и третье в мире.
Одна из основных тенденций в развитии электроэнергетики со-
стояла в укрупнении мощностей как единичных электростанций,
так и единичных агрегатов, что позволяло существенно улучшать
технические и экономические показатели выработки электроэнер-
гии. В 1939 г. были введены в работу агрегаты отечественного из-
готовления мощностью 100 МВт.
Наряду с концентрацией выработки электроэнергии успешно ре-
шались вопросы развития линий электропередачи. С 1931 по 1940 г.
было построено 15,5 тыс. км линий электропередачи. Важной за-
дачей было увеличение пропускной способности и дальности элект-
ропередачи для снабжения электроэнергией центров, удаленных
от мест концентрированных источников энергии. В 1933 г. было ос-
воено напряжение 220 кВ, на котором была сооружена первая
в мире электропередача Свирская ГЭС — Ленинград протяженно-
стью 240 км. С появлением линий напряжением 220 кВ начали соз-
даваться крупные энергетические объединения — межрайонные
энергетические системы.
В период Отечественной войны 1941-—1945 гг. советской энер-
гетике был нанесен значительный урон. Свыше 60 крупных элект-
ростанций было разрушено, в том числе и Днепровская ГЭС. В это
время в связи с перебазированием промышленности в восточные
районы происходило наращивание высокими темпами энергетиче-
ских мощностей в этих районах. За годы войны на Урале и Востоке
суммарная мощность электростанций возросла до 184% по сравне-
нию с довоенным уровнем. Несмотря на тяжелые условия военного
времени, к 1945 г. суммарная мощность электростанций была до-
ведена до довоенного уровня благодаря сооружению новых элект-
ростанций и агрегатов и реконструкции разрушенных.
В послевоенные годы были созданы все предпосылки для быст-
рого развития энергетики. Невиданными до того времени темпами
происходило наращивание энергетических мощностей с улучшен-
ными техническими характеристиками (с использованием оборудо-
вания высокого давления). Выработка электроэнергии с 1945 по
1958 г. выросла в 5,4 раза. Таких высоких темпов развития элект-
роэнергетики по знала ни одна капиталистическая страна.
Особенностью развития электроэнергетики послевоенного вре-
мени было широкое строительство ГЭС. При этом учитывались по-
требности не только энергетики, но и других отраслей народного
203
хозяйства — водного транспорта, сельского хозяйства, рыбного хо-
зяйства и т. д. В эти годы началось освоение богатейших водных
ресурсов рек Сибири — Ангары, Оби, Иртыша.
В годы выполнения семилетнего плана (1959—1965) развития
народного хозяйства СССР в энергетике было намечено преимуще-
ственное строительство ТЭС, работающих на дешевом угле, газе и
мазуте, что обеспечивало наиболее быстрые темпы ввода мощно-
стей с хорошими техническими показателями. За семь лет было вве-
дено энергетических мощностей больше, чем за все предыдущее
время хозяйственного строительства.
Далее за восьмую и девятую пятилетки темпы энергетического
строительства получили дальнейшее ускорение. Так, к концу де-
вятой пятилетки установленная мощность электростанций СССР
достигла 218 ГВт, причем было введено 58 ГВт новых энергетиче-
ских мощностей. В десятой пятилетке должно быть введено в-экс-
плуатацию не менее 70 ГВт новых энергетических мощностей, из
них 14 ГВт — на АЭС. Все это должно обеспечить в 1980 г. выра-
ботку 1,4 тыс. ТВт-ч электроэнергии. В десятой пятилетке будет
начато сооружение крупных АЭС (4—8 ГВт) с реакторами на теп-
ловых нейтронах. На рис. 5.1 дана общая характеристика развития
энергетики, оцениваемая по динамике трех показателей: выработке
электроэнергии (рис. 5.1, а), добыче нефти* (рис. 5.1, б) и добыче
газа (рис. 5.1, в). Рост мощности реакторов АЭС см. рис. 5.1, г.
Развитие и укрупнение электрических систем производится на
основе сетей высокого напряжения, включая 500 кВ. В 1964 г. вве-
дена в эксплуатацию первая промышленная линия электропереда-
чи постоянно!» тока на 800 кВ (+400 кВ) •— Волжская ГЭС
им. XXII съезда КПСС — Донбасс. В десятой пятилетке намечает-
ся создание новых электропередач переменного тока напряжением
1150 кВ и постоянного тока напряжением 1500 кВ.
Создание объединенных энергетических систем позволило повы-
сить надежность энергоснабжения, снизить эксплуатационные рас-
ходы, уменьшить необходимые резервы.
Успехи в развитии электроэнергетики способствовали повыше-
нию электровооруженности труда в промышленности, а следова-
тельно повышению производительности труда, концентрации, спе-
циализации и автоматизации производства. Значительная доля
электроэнергии, потребляемой промышленностью, стала непосред-
ственно использоваться в технологических процессах, таких, как
электролиз, электротермия, и в ряде других. В этот период в про-
мышленности внедряются новые технологические методы обработ-
ки материалов, основанные на электроэрозионных и электролуче-
вых процессах.
Увеличение потребления электроэнергии в сельском хозяйстве
изменило технический уровень производства в этой отрасли, что
также способствовало увеличению объема сельскохозяйственного
производства, повышению культуры труда.
* с газовым конденсатом.
204
а)
млн. к Вт-ч
1000
750
500
250
5,01 Q, 07
(13,54 38,17483143,25^»
—-т—Г------f—Т
50
1928 32 37 40 1345 50
1
5)
млн.т
1340+1380 •
740
1038
Ввод в действие мощ-
ностей на электро -
станциях {ГВт)
67-70
55 58
506,67
235,35
(.План)
IHIIIII.
I_______1315~!970гг. 1976-1Э80гг.
55 55 1965 70 75 1380 г. ,371-1975м-
5 6 7 8 9 10 Пятилетки
(3 года) (семилетка)
620 + 640
500-
400
300
200 -
2 3 Война 4
(3 года)
-11,6
1 21,4 28,531,1 /04 37,9
г—
37 40 1945 50
2 3 Война 4
(3 гада)
100
431
353
242,8
113,2
Протяженность нефтепро-
водов и нефтепродукта -
проводов (тыс. км, на
коней, года) с
' Более
1928 32_
В)
млрд, м3
300
2Р0
100
2,2 3,2 3,3 5,8
55 58 1965 70 75 1980 г.
5 5 7 8 9 10 Пятилетки
(3 года) (семилетка)
400 + 435
289
Более
Протяженность газопрово-
дов (тыс, км, на конец года)
200
127,7
23,9
0,31,0
s)
1328 32 37 40 1945 50 55 58 1365 70 75 1980г.
1 2 3 Война 4 5 5 7 В 9 10 Пятилетки
(Згода) (3 года) (семилетка)
К Вт 1000000
440000
200000 210000
5000
1354 1354 1957 1963 1971 1974 г.
Рис.
5.1. Общие характеристики раа-
вития энергетики СССР
205
С ростом материального благосостояния населения увеличи-
вается доля электроэнергии, потребляемой в быту. В 1975 г. Vs всей
электроэнергии, потребляемой в жилом секторе и в сфере обслу-
живания, приходилась на квартирные электробытовые приборы.
Наряду с совершенствованием известных способов получения
электроэнергии ведутся разработки новых способов. Осваиваются
газотурбинные и парогазовые установки, ведется строительство
крупных АЭС в различных районах нашей страны.
Основу электроэнергетического хозяйства
СССР составляют ТЭС, на долю которых приходится при-
мерно 85% всей выработанной в стране электроэнергии. Если в пер-
вые годы развития советской электроэнергетики сооружение ТЭС
производилось по индивидуальным проектам, то в последующие
годы, по мере развития промышленности и накопления опыта, ста-
ли создаваться типовые проекты ТЭС, что позволило уменьшить
объем проектирования, снизить стоимость и сократить продолжи-
тельность строительства. Возможность использовать типовые про-
екты станций обусловлена преимуществами социалистического пла-
нового ведения народного хозяйства. ,
В 1955—1956 гг. был разработан типовой проект конденсацион-
ной электростанции мощностью 1200 МВт (ГРЭС-1200), по которо-
му сооружены такие электростанции, как Заинская, Змиевская, Бе-
Рис. 5.2. Машинный зал крупной ТЭС (Молдавская ГРЭС)
206
ловская, Молдавская и др. Примерный вид машинного зала круп-
ной ТЭС (Молдавской ГРЭС) показан на рис. 5.2. Мощности теп-
ловых электростанций (ТЭС), сооружаемых по типовым проектам
з 1959—1960 гг., увеличены до 2400 МВт (ГРЭС-2400).
Отечественное энергомашиностроение идет по пути увеличения
мощности энергоблоков. Опытная эксплуатация энергоблока мощ-
ностью 800 МВт начата в 1967 г. на Славянской ГРЭС. В том же
году на Назаровской ГРЭС смонтирован первый энергоблок мощ-
ностью 500 МВт. В настоящее время ведутся работы по созданию
агрегатов мощностью 1200 МВт.
С увеличением мощности энергоблоков снижаются удельные
расходы топлива. Так, на 1 кВт-ч отпущенной электроэнергии
в 1965 г. расходовалось 414 г у. т., в 1967 г. —393 г у. т. и в
1968 г. — 384 г у. т. Использование более мощных энергоблоков
позволяет не только повышать экономичность работы станций, но
и снижать удельные капиталовложения на строительство. При со-
оружении одной ГРЭС мощностью 2400 МВт с блоками по 300 МВт
удельные капитальные затраты примерно на 30% ниже по сравне-
нию с капитальными затратами на сооружение шести ГРЭС с мощ-
ностями 400 МВт и с блоками по 100 МВт.
Одновременно с ростом мощностей отдельных электростанций
увеличивается доля электроэнергии, вырабатываемой централизо-
ванным порядком:
Год......... 1928 1940 1958 1965 ' 1967 1970 1974
Доля, % . . . . 39,0 81,2 85,5 92,8 ,94,4 96,0 97,0
В СССР широко ведутся работы по развитию атомной энер-
гетики. В июне 1954 г. введена в действие первая в мире опыт-
ная АЭС мощностью 5 МВт. После пуска ее последовал период
(1956—1965) проведения работ по созданию крупных промышлен-
но-опытных АЭС с различными типами реакторов для получения
практического опыта проектирования, строительства и эксплуата-
ции станций, а также для определения станций с наибольшими
преимуществами. В этот период были сооружены и вошли в эксплу-
атацию ледокол «Ленин» с мощной атомной энергетической уста-
новкой, Белоярская АЭС, Нововоронежская АЭС и др.
Говоря о создании АЭС именно в Советском Союзе, было бы не-
верно утверждать, что строительство первой АЭС вызывалось тогда
насущной экономической необходимостью.
Хотя страна и не испытывала острой нужды в ископаемом топ-
ливе для энергетики, плановые органы нашей страны уже тогда
все же наметили сроки строительства АЭС, их количество и распо-
ложение на основании анализа — энергетического, экономического,
экологического.
Энергоресурсы распределены по территории СССР неравномер-
но: более 80% их — за Уралом. В то же время традиционные про-
мышленные районы европейской части страны нуждаются в непре-
рывном росте энергетических мощностей. Обеспечить его рацио-
нальнее всего за счет строительства АЭС. География действующих
207
и строящихся АЭС определяется принципом замещения конкурен-
тоспособной атомной энергией других видов топлива. Вот почему
именно в районе Воронежа была сооружена Нововоронежская АЭС.
Из этих же соображений выбрано место для Ленинградской АЭС,
Курской, Чернобыльской (под Киевом), Смоленской, Армянской
АЭС. На севере европейской части, за Полярным кругом, работает
Кольская АЭС, на Урале — Белоярская АЭС.
Экономически нецелесообразно строить ТЭС в районах, удален-
ных от мест добычи топлива. Поэтому в Советском Союзе строят
и будут строить АЭС и на Крайнем Севере, и в пустынях. Этот
принцип был главным при строительстве Кольской, Билибинской
АЭС на Чукотке и Шевченковской АЭС (полуостров Мангышлак).
Важную роль играет разработка «малой атомной энергетики» —
АЭС небольшой мощности для работы в особых условиях: напри-
мер, в труднодоступных районах, в космическом пространстве. Они
представляют собой легкие малогабаритные реакторы. Во многих
из них атомная энергия непосредственно превращается в электри-
ческую. Первой в мире установкой такого рода был реактор «Ро-
машка», сейчас созданы установки «Топаз». «
Большое влияние на решение вопросов создания и размещения
АЭС оказывает экологический аспект. Острота проблемы охраны
окружающей среды общеизвестна. В гл. 2 упоминалось о том скеп-
тицизме, который существует в США и ряде европейских стран от-
носительно АЭС. Это отношение вызвано боязнью радиационного
воздействия на людей. А как обстоит дело в действительности?
Ранее было показано, что угольная электростанция мощностью
в 1 млн. кВт выбрасывает ежесуточно 400 т сернистого газа, 60 т
окислов азота и углерода и 12 т золы. Немудрено, что прогнозы
специалистов на 2000 г. выглядят угрожающе: если до 2000 г. стро-
ить необходимое количество станций только тепловыми (на угле,
нефти, газе), то в атмосферу будет ежегодно выбрасываться
600 млн. т сернистого газа и 250 млн. т золы! Это стало бы уже не
частной бедой отдельных районов, где расположены электростан-
ции, — выбросы охватили бы всю планету. АЭС при правильном
подходе к их конструированию и, что не менее важно, к хранению
отходов не опасны. Если даже начиная с наших дней строить толь-
ко АЭС, то и к 2000 г. уровень радиоактивности на планете все же
можно сохранить во много раз меньше допустимого. Эти расчеты
известны физикам и санитарным врачам из многолетнего опыта
использования АЭС в разных странах.
В нашей стране первым этапом было сооружение АЭС с реак-
торами различных типов и все увеличивающейся мощностью. Уве-
личение мощности реакторов — очень важный показатель, так как
только при достаточно большой мощности (около 600—800 МВт)
реакторы становятся выгоднее агрегатов ТЭС. На рис. 5.1, г пока-
зан рост мощности реакторов советских АЭС, начиная с 5 тыс. кВт
в 1954 г. и до 1 млн. кВт, построенных и строящихся сейчас. Каж-
дый из энергоблоков неизменно был новым шагом в теории и прак-
тике, хотя в их реакторах использовался тот же принцип, что и на
208
первой АЭС, — высвобождение энергии ядра с помощью медленных
нейтронов.
Однако еще в начале 50-х годов советский акад. А. Лейпунский
высказал идею о возможности использования в энергетике реакто-
ров другого типа на быстрых нейтронах. Такие реакторы способны
преобразовывать «негорючую» разновидность урана 238U, превра-
щая его в отличное ядерное топливо — плутоний. В дело, таким об-
разом, пойдут не использовавшиеся ранее резервы топлива. Кроме
того, в результате «сгорания» атомного горючего его становится
не меньше, а больше. Все это решает энергетическую проблему на
несколько столетий.
Особенности реакторов на быстрых нейтронах привлекли вни-
мание советских ученых. После серии опытных установок в СССР
был создан и пущен реактор БН-350. Следом за ним на Белоярской
АЭС началось сооружение реактора БН-600, который обеспечит
должный уровень развития атомной энергетики. Наши специалисты
оценили целесообразность именно такой последовательности разви-
тия атомной энергетики. Сегодня их точка зрения общеизвестна.
А физики-теоретики и экспериментаторы готовят будущий этап
атомной энергетики — термоядерный. Советские ученые ведут ис-
следования на установках типа «Токамак». Установки этого типа
строятся сейчас в США, странах Западной Европы и Японии. Есть
основания считать, что эта сложнейшая задача будет решена еще
до конца столетия.
Опыт эксплуатации АЭС показывает, что при единичной мощно-
сти реакторов более 500 МВт себестоимость производства электро-
энергии на АЭС ниже, чем на ГРЭС, использующей любой вид ор-
ганического топлива. Предполагается, что к 1980 г. в мире будут
работать АЭС мощностью примерно 340 ГВт, что составит 14% от
общей установленной мощности электростанций. В 1968 г. в мире
работали АЭС общей мощностью 10 ГВт.
Советский Союз по праву можно назвать родиной мирного ис-
пользования атома. Люди, построившие Нововоронежскую АЭС,
написали над ее входом: «Пусть атом будет рабочим, а не солда-
том».
В нашей стране большое внимание уделялось сооружению ГЭС.
В 1932 г. была пущена в эксплуатацию крупнейшая в Европе Дне-
провская ГЭС мощностью 560 МВт. Освоение водных ресурсов
страны осуществляется созданием каскадов ГЭС и развитием сис-
тем единых глубоководных внутренних путей. На Волжско-Камском
каскаде сооружены такие крупные ГЭС, как Волжская ГЭС
им. В. И. Ленина мощностью 2,3 ГВт и Волжская ГЭС им. XXII
съезда КПСС мощностью 2,5 ГВт.
Во второй половине 50-х годов началось широкое освоение бо-
гатейших гидроэнергоресурсов рек Сибири и одновременное строи-
тельство крупных промышленных предприятий для использования
этих энергоресурсов. В 1967 г. сдана в промышленную эксплуата-
цию построенная на р. Ангаре Братская ГЭС им. 50-летия Велико-
го Октября с проектной мощностью 4,5 ГВт. К крупнейшим гидро-
209
Рис. 5.3. Гидроэлектро-
станции:
а — общий вид Красноярской
станции; б—машинный зал
Куйбышевской ГЭС; в — ма-
шинный зал Красноярской
ГЭС
210
электростанциям относится сооруженная на р. Енисей Краснояр-
ская ГЭС с проектной мощностью 6 ГВт (рис. 5.3, а). На рис. 5.3, б
показан машинный зал Куйбышевской ГЭС, а на рис. 5.3, в — Крас-
ноярской ГЭС.
В целом развитие энергетики в Советском Союзе идет по пути
создания мощных энергетических объединений и разветвленных
высоковольтных электропередач. Советские электроэнергетики,
создав электропередачу Куйбышев—Москва длиной 1000 км, впер-
вые в мире решили проблему передачи электроэнергии при напря-
жении 500 кВ. В настоящее время освоено самое высокое в мире
напряжение —750 кВ (Конаковская ГРЭС — Москва и др.).
Ряд лет работает промышленно-экспериментальная электро-
передача постоянного тока напряжением 800 кВ Волжская ГРЭС
им. XXII съезда КПСС — Донбасс. Ведутся работы по созданию
сверхдальних передач постоянного тока напряжением порядка
1 млн. В.
Развитие народного хозяйства в нашей стране, как и было пре-
дусмотрено планом ГОЭЛРО, идет по пути электрификации всех
его отраслей и производства электроэнергии опережающими тем-
пами. Рост промышленности и производства электроэнергии харак-
теризуется цифрами, приведенными в табл. 5.1.
Советский Союз оказывает содействие многим странам мира
в развитии электроэнергетики, в том числе и развивающимся стра-
нам Азии и Африки. Многие из сооружаемых с помощью СССР
энергетических объектов имеют решающее значение для народного
хозяйства развивающихся стран. Например, в АРЕ построен круп-
нейший на Африканском континенте гидроэнергетический комплекс
211
Таблица 5. 1
Показатели 1940 1950 I960 1970 1975
Рост валового общественного продукта (к 1940 г.) 1 1,61 4,17 8,14 = 11,5
Национальный доход СССР, млрд. руб. 33,4 54,9 145 289,6 365,6
Производство электроэнергии, млрд. кВт • ч 48,3 91,2 292,3 740,9 1038
Расход энергетических ресур- сов, млн. т. у. т. 280 355 695 1160 «1500
с высотной Асуанской плотиной (рис. 5.4). В этот комплекс входит
крупнейшее в мире водохранилище длиной 500 км и шириной 11 км.
Сооружение плотины позволило примерно в 3 раза увеличить вы-
Рис. 5.4. Общий вид высотной плотины Асуанской
ГЭС
работку электроэнергии в стране, на ’/з увеличить посевные пло-
щади с круглогодичным орошением, значительно улучшить условия
судоходства на р. Нил.
§ 5.3. Применение электрической энергии в народном хозяйстве
Широкое применение электрической энергии в народном хозяй-
стве обусловлено ее специфическими свойствами, такими, как:
способность превращаться практически во все другие виды энер-
гии (тепловую, механическую, звуковую, световую и т. д.) и полу-
чать электрическую энергию практически из любых других видов
энергии;
возможность относительно легко передаваться на большие рас-
стояния в больших количествах;
способность к дроблению энергии и преобразованию ее парамет-
ров (изменение напряжения, частоты);
212
наличие огромных скоростей протекания электромагнитных
процессов.
Неограниченные возможности дробления электроэнергии позво-
ляют создавать установки, обладающие такими большими мощно-
стями, как, например, двигатели, приводящие в движение огром-
ные прокатные станы, и такими малыми мощностями, как электро-
двигатели для наручных часов.
Представление о масштабах современных электроустановок мо-
жет дать такое условное сравнение: одна электрическая машина
мощностью в 1 ГВт может заменить труд примерно 20 млн. чело-
век.
Недавно созданный электродвигатель ничтожно малых разме-
ров имеет мощность 1 10“6 кВт — меньше мощности комара. Этот
двигатель пока не нашел практического применения, но его созда-
ние подтверждает отсутствие принципиальных ограничений на пути
уменьшения размеров и мощности электродвигателей. Ограничений
не существует также и на пути увеличения мощности двигателей.
Применению электрической энергии в промышленности России способствовало
бурное развитие производительных сил, которое привело к тому, что темпы роста
промышленности по ряду отраслей в 90-е годы прошлого столетия были выше,
чем в Англии и США. Существовавшая в то время паросиловая энергетика стала
тормозить развитие производительных сил. Отдельные станции и механизмы на
предприятиях приводились в движение от общего трансмиссионного вала посред-
ством многочисленных ременных или канатных передач. Эти передачи характери-
зовались большими потерями энергии и ограничивали производительность приво-
димых в движение механизмов. Наличие общего вала требовало располагать
в цехах станки параллельными рядами, что во многих случаях не позволяло луч-
шим способом организовать последовательность технологической обработки дета-
лей и тормозило налаживание поточного производства.
К концу прошлого столетия были созданы предпосылки для перехода про-
мышленности на новую электроэнергетическую базу, которая позволяла свободно,
без присущей паросиловой энергетике жесткой связи источника энергии с потре-
бителем, размещать на территории предприятия производственное оборудование.
К этому времени был создан генератор постоянного тока и появились возможно-
сти централизованной выработки электроэнергии, которой способствовали работы
русского электротехника Д. А. Лачинова и французского физика М. Депре, дока-
завших экономичность передачи электрической энергии на большие расстояния
при высоком напряжении.
Наряду с совершенствованием способов генерации, преобразования, передачи
и распределения энергии, разрабатывались способы и установки по использова-
нию в промышленности электрической энергии. В 80-е годы был создан экономич-
ный двигатель постоянного тока. Распространение переменного тока стало воз-
можным с изобретением трансформаторов, в которое значительный вклад внесли
русские электротехники П. Н. Яблочков и И. Ф. Усагин.
Особое значение для развития электроэнергетики имело внедрение системы
трехфазиого тока. Трехфазиый асинхронный двигатель был впервые сконструиро-
ван в 1889 г. М. О. Доливо-Добровольским. Этот двигатель впоследствии стал
самым распространенным в силу своей простоты, надежности и экономичности.
Постоянный ток сыграл важную роль иа первых этапах электрификации про-
мышленности. Его широко использовали для освещения и приведения в движение
различных механизмов. Обнаружилось, что электропривод позволяет легко и про-
сто регулировать режим работы станков. Вначале электропривод получил распро-
странение на переносных установках, в особенности на сверлильных; впоследствии
он стал применяться и в стационарных условиях.
Преимущества электрической энергии перед энергией пара подтвердились
производственной практикой, которая показала, что наряду с улучшением экоцо-
213
мических показателей существенно повышается технический уровень промышлен-
ности и улучшаются условия труда. Появилась возможность в любом месте иметь
электрический двигатель любой мощности, который мог быть легко и просто
включен в работу и у которого можно было бы легко и просто регулировать
скорость.
Однако со временем по мере укрупнения промышленных предприятий и уве-
личения их территориальной протяженности становилось более заметным неудоб-
ство ограниченных воможностей передачи электрической энергии на расстояние
постоянным током. Возникший кризис постоянного тока М. О. Доливо-Доброволь-
ский охарактеризовал так: «Постоянный ток хорошо подходил для любых при-
менений. Наряду с освещением применялись электродвигатели с отличными харак-
теристиками, имелась возможность аккумулирования, химического использования
и получения тепла. Благодаря начавшемуся подъему электротехники самые сме-
лые мечты стали возможными в ближайшее время. Но было одно препятствие,
к сожалению, трудно преодолимое, которое угрожало всему прекрасному разви-
тию. Это необходимость передачи больших количеств электроэнергии иа большое
расстояние с тем, чтобы распределить ее в отдаленных районах...» *.
Разработанная М. О. Доливо-Добровольским система генерирования, преоб-
разования, передачи и распределения энергии трехфазного тока сразу же при-
влекла внимание специалистов во всем мире. В 1891 г. во Франкфурте-на-Майне
была сооружена показательная передача электроэнергии трехфазным током иа
расстояние 100 км с напряжением 15 кВ. Энергия использовалась для освещения
и приведения в движение асинхронного двигателя мощностью в 73,6 кВт, соеди-
ненного с насосом декоративного водопада. Эта опытная передача продемонстри-
ровала высокую экономичность системы трехфазного тока. К. п. д. передачи со-
ставил 75,2%. На одном из первых заводов — Охтенском пороховом в Петербур-
ге — осуществлена электрификация с использованием повышенного напряжения.
Сооружение системы электроснабжения этого завода производилось в 1896 г. по
проекту отечественных инженеров Р. Э. Классоиа и В. Н. Чиколева. Паровые
машины, расположенные на больших расстояниях друг от друга, были заменены
электродвигателями. Распределение энергии по заводу производилось по радиаль-
ным линиям при напряжении 2000 В, которое понижалось до НО В трансформа-
торами.
Электрификация силовых процессов в машиностроительном про-
изводстве может быть разделена на три этапа.
На первом этапе происходило внедрение единичных
приводов, заменивших паросиловые установки и групповые
электрические приводы. При единичном приводе энергия между
отдельными узлами распределялась механическим способом, что
усложняло кинематику станков и вызывало большие потери.
На втором этапе совершенствование машин шло по пути соз-
дания многодвигательного привода, когда отдельные
движения стали осуществляться от индивидуальных двигателей.
Современный третий этап характеризуется широким примене-
нием средств автоматики для управления электроприво-
дом. Автоматизированный электропривод, базирующийся на дости-
жениях науки и техники, служит основой создания поточного про-
изводства машин и оборудования. Он позволяет создавать авто-
матические станочные линии, технологический процесс
которых контролируется и управляется вычислительными маши-
нами. Автоматизированные приводы созданы на блюмингах и целом
ряде обрабатывающих станков, на различных механических погруз-
* Дол и ио-Добровольский М. О. Избранные труды (о трехфаз-
ном токе). М.—Л., Госэнергоиздат, 1948, с. 126.
214
чиках и г. д. В автоматизации электропривода наблюдается пере-
ход от электромеханических устройств к электронным, имеющим
следующие преимущества: отсутствие контактов, малую инерцион-
ность, долговечность, компактность. Развитие электропривода ос-
новывается на достижениях в самых различных областях знаний,
па использовании методов теории информации, логического синте-
за, математического программирования. Важная принципиальная
особенность современного автоматизированного электропривода со-
стоит в использовании методов кибернетики. Внедрение электро-
привода значительно улучшает условия труда в промышленности
и эстетическое оформление производственных помещений (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Цех механического завода, оборудованный
электроприводом
По мере изучения свойств электрического тока расширялись
области его практического применения. Так, изучение химиче-
ских действий электрического тока и постановка эксперимен-
тов позволили М. Фарадею в 1833 г. сформулировать законы
электролиза, нашедшего далее широкое промышленное при-
менение. Закон теплового действия электрического тока, ус-
тановленный в 1841—1843 гг. английским физиком Д. П. Джоулем
и русским акад. Э. X. Ленцем, способствовал развитию электро-
термии.
Первые электрические печи появились в конце XIX в., после от-
крытия в 1802 г. акад. В. В. Петровым электрической дуги. Про-
мышленное применение печи получили во время первой мировой
войны (1914—1918), так как появилась острая потребность в боль-
ших количествах качественных металлов.
С помощью электролиза стали получать чистые металлы из руд,
ценные химические продукты из минералов в форме солей и т. п.
Применение электротермии позволило относительно просто полу-
чать бывшие редкими и дорогими металлы, такие, как алюминий,
215
карборунд и т. п. Естественно, что Широкое промышленное исполь-
зование методов электротехнологии стало возможным только после
внедрения совершенных источников электроэнергии.
Большую группу электротехнологического оборудования состав-
ляют электротермические установки, предназначенные для нагре-
вания различных изделий. Превращение электрической энергии
в тепловую в этих установках производится различными способа-
ми: пропусканием тока по специальным нагревательным элементам
или по нагреваемому изделию, созданием электрической дуги, на-
ведением индуктированных токов в проводящем нагреваемом из-
делии, наведением токов смещения в диэлектрике, помещаемом
в электрическом поле высокой частоты.
Нагревательные элементы, используемые в электротермических
печах, должны быть достаточно жароупорными и иметь высокое
удельное электрическое сопротивление. При относительно невысо-
ких температурах нагрева в печах (1500 К) применяют нихромовые
и нихромоалюминиевые сплавы, а при высоких температурах (до
3100 К) используют уголь, графит, молибден-и некоторые другие
материалы. Материалы нагревательных элементов лег^р окисляют-
ся кислородом воздуха, поэтому печи выполняют вакуумными.
Преимущества прямого нагрева изделий электрическим
током состоят в быстром повышении температуры изделия, что ис-
ключает потребность в сцециальной тепловой изоляции; при этом
происходят незначительные потери металла на окисление и равно-
мерный нагрев изделия по всему объему. Прямой нагрев металлов
электрическим током широко применяется в кузнечном производст-
ве. Количество выделяемого в изделии тепла пропорционально
квадрату ток^ (в соответствии с законом Джоуля — Ленца). Поэ-
тому через изделия пропускают токи, значения которых достигают
тысяч ампер при относительно небольшом напряжении (5—25 В).
Напряжение на изделии понижается и регулируется специальным
трансформатором (рис. 5.6). Температура нагрева контролируется
термопарой.
Рис. 5.6. Установка прямого на-
грева изделия электрическим
током:
1 — электроды, 2 — изделие, 3 — тер-
мопара, 4 — регулируемый транс-
форматор
Рис. 5.7. Индукционная печь со
стальным сердечником:
1 — первичная обмотка, 2 — расплав-
ленный металл, 3 — стальной сер-
дечник
216
В установках индукционного нагрева происходит наве-
дение токов высокочастотным магнитным полем и выделение вслед-
ствие этого тепла.
Индукционные печи имеют хорошие технико-экономиче-
ские показатели и распространены в промышленности.
Существует большая разновидность конструкций печей, опреде-
ляемых их назначением (для плавки металлов, поверхностной за-
калки деталей, низкотемпературного нагрева и т. п.). Индукцион-
Рис. 5.8. Камерная
электропечь:
/ — нагреватели, 2 — фу-
теровка
ные печи со стальным сердечником по конструкции похожи на
трансформаторы (рис. 5.7), отличие от которых состоит в том, что
вторичная обмотка у печи выполнена в виде одного витка, обычно
представляющего собой расплавленный цвет-
ной металл. Первичной обмоткой в стальном
сердечнике печи создается переменный маг-
нитный поток, который и индуктирует в ме-
талле ток. Выделяемое при протекании тока 2
тепло расплавляет металл, который хорошо
перемешивается вследствие электродинамиче- I
ского взаимодействия тока в металле с пере-
менным магнитным полем первичной обмотки.
Частота переменного тока в индукционных пе-
чах со стальным сердечником соответствует
промышленной — 50 Гц.
Индукционные печи без стального сердеч-
ника, используемые для выплавки высокока-
чественных сталей и сплавов, получают пита-
ние как от сетей со стандартной промышлен-
ной частотой тока, так и от источников с по-
вышенной частотой тока.
На рис. 5.8 показана камерная электропечь с нагрева-
телями из нихромовых спиралей. Такие печи обычно предназнача-
ются для термической обработки металлов при мелкосерийном про-
изводстве.
Для выплавки качественных металлов и сплавов используют
также электрические дуговые печи прямого и косвен-
ного действий. В печах прямого действия дуга горит между элект-
родом и расплавленным металлом (рис. 5.9), а в печах косвенного
действия — между электродами над поверхностью металла (рис.
5.10). Печи прямого действия, используемые для выплавки качест-
венной стали, выпускаются отечественной промышленностью ем-
костью до 200 т и мощностью до 40 МВт.
Дуговая электросварка угольным электродом
имела большое значение для развития машиностроения. Она была
открыта в 1882 г. русским инженером Н. Н. Бёнардосом.
Электросварка металлическим электродом,
изобретенная русским инженером Н. Г. Славяновым в 1888 г., и
разработанная им вспомогательная аппаратура позволили широко
распространить в промышленности способ неразъемного соедине-
ния двух металлов. Работы II. Г. Славянова получили междуна-
217
родное признание и на Всемирной выставке в г. Чикаго были от-
мечены дипломом и золотой медалью.
Значительные успехи в области электросварки были достигну-
ты в 40-е годы акад. Е. О. Патоном в НИИ электросварки АН УССР,
где была разработана установка для скоростной автомати-
ческой сварки под слоем флюса. Скоростной способ
сварки позволил существенно повысить производительность свароч-
ных работ. В последующие годы происходило дальнейшее совер-
шенствование способов электрической сварки металлов.
Рис. 5.9. Схема дуговой печи
прямого действия:
/ — электрод, 2 — металл
Рис. 5,10. Схема дуговой пе,чи
косвенного действия:
1 — электроды, 2 — металл
Весьма удобна и экономична электрическая контактная сварка,
при которой негрев свариваемых участков деталей происходит за
счет выделения тепла при протекании больших токов (до 10 кА)
в местах соприкосновений деталей. Для контактной сварки метал-
лов пригоден как постоянный, так и переменный ток. Однако боль-
шие токи проще и экономичнее получать с помощью трансформато-
ров, поэтому для контактной сварки практически применяется толь-
ко переменный ток.
К прогрессивным методам электротехнологии относится элект-
роэрозионная обработка металлов, в которой ис-
пользуется эффект эрозии (разрушения) материалов электродов
при возникновении разрядов в газообразных и жидких средах. При
искровых разрядах между электродами в небольшом локальном
объеме выделяется энергия и происходит расплавление и частичное
испарение металла. Расплавленные частички металла под действием
электрического поля выбрасываются в межэлектродный промежу-
ток. Диаметр и глубина образующейся лунки зависят от физиче-
ских свойств материала. Единичный искровой разряд сопровож-
дается выбросом незначительного количества металла. Но так как
искровые разряды повторяются с большой частотой (порядка
100 тыс. раз в секунду), то достигается приемлемая скорость обра-
ботки поверхности проводящего материала. Электроэрозиоппая об-
работка применима к материалам любой твердости,
218
Рис. 5.11. Электроэрозиониое
гравирование:
1 — генератор импульсов, 2 — элек-
трод, 3 — слой диэлектрической
жидкости, 4 — поверхность изделия
Электроэрозионным способом мо-
жет выполняться обширный комплекс
работ, таких, как гравирование, раз-
резание деталей, копирование, проши-
вание отверстий, затачивание инстру-
мента, нанесение металлов на поверх-
ности изделий и т. д. На рис. 5.11 при-
ведена схема установки для электро-
эрозионного гравирования. Углублен-
ные линии гравюры получаются при
движении электрода по поверхности
изделия за счет разрушения мате-
риала изделия импульсными разря-
дами.
Электрохимическая обработка металлов широко
применяется в промышленности. В основе метода лежит эффект
перевода металлов в ионное состояние под действием электриче-
ского тока в электролите. Соотношения между количествами элект-
ричества и металла, переводимого в ионное состояние, установлены
законами Фарадея. Электрохимическими методами изменяют свой-
ства поверхностей путем нанесения на них металлических покрытий
(серебрение, никелировка, хромирование и т. п.), получают чистые
металлы, воспроизводят предметы нанесением на гипсовые и вос-
ковые формы металлических покрытий и т. п. Достоинства рассмат-
риваемого метода — возможность обработки больших поверхно-
стей, экономичное использование электрической энергии, универ-
сальность электрохимического оборудования, отсутствие вредных
побочных изменений свойств обрабатываемых металлов (что име-
ет место при обработке металлов воздействием тепла) и т. п.
Ванны для металлопокрытий обычно изготовляют стальными
с внутренней футеровкой из пластмассы (рис. 5.12). К катодным
шинам присоединяют изделие, а к анодным — металлические плас-
тины, материалом которых желательно
покрыть изделия. Токопроводящие шины
подключают к источнику постоянного
тока. Подогрев электролита производят
горячей водой, которая циркулирует по
специальному кожуху.
В технологических процессах широко
используется ультразвук. Он приме-
няется для контроля свойств какой-либо
среды без взятия проб. Скорость распро-
странения ультразвуковых колебаний за-
висит от физико-химических характери-
стик среды, поэтому эти характеристики
можно определять, замеряя скорость рас-
пространения ультразвуковых колебаний.
Если в контролируемом материале во
взвешенном состоянии будут находиться
Рис. 5.12, Схема ванну для
ианесеиия металлопокрытий:
/ — изоляторы, 2 — анодные ши-
ны, 3 — катодные шины, 4 — во-
допроводящая рубашка, 5 —
электролит
219
Рис. 5.13. Трубчатый электрофильтр:
1 — коронирующий электрод, 2 — осадительный
электрод, 3 — бункер
примеси, то это отразится на
изменении поглощения энер-
гии ультразвуковых колебаний.
Наличие в монолитных мате-
риалах неоднородностей так-
же может быть обнаружено с
помощью ультразвука (уль-
тразвуковая дефектоскопия),
так как на границе двух раз-
личных сред происходит час-
тичное отражение колебаний.
Распределение энергий между
преломленными и отраженны-
ми колебаниями зависит от
акустических сопротивлений
сред.
Ультразвук применяется
также для силового воздейст-
вия на материалы и интенсификации некоторых произвбдственных
процессов, например электролиза и выплавки металлов.
Для нужд ракетной техники, космонавтики, ядерной техники,
электроники потребовались сверхчистые материалы, которые спо-
собны выдерживать экстремальные условия — высокие скорости и
давления, обладать сложным комплексом физических свойств. Для
удовлетворения этих требований решающее значение имеют широ-
ко развивающиеся методы электротехнологии.
Важное значение в современных условиях имеют установки по
осаждению частичек пыли в дымовых газах ТЭС и заводов, исполь-
зующие электрическое поле высокого напряжения. В этих установ-
ках, называемых электрофильтрами, под действием элект-
рического поля происходит улавливание частичек, которым предва-
рительно сообщается электрический заряд. В электрофильтре име-
ются два электрода — коронирующий (рис. 5.13), выполняемый в
виде проволоки, и осадительный, обычно изготовляемый в виде
цилиндра. К электродам подается высокое постоянное напряжение
с отрицательным потенциалом на коронирующем электроде. Вбли-
зи коронирующего электрода возникает коронный разряд, сопро-
вождающийся образованием свободных электронов и ионов. Под
действием электрического поля электроны и ионы ускоряются и,
соударяясь с нейтральными атомами, ионизируют их. Частички пы-
ли, получившие отрицательные заряды, устремляются к положи-
тельным электродам и осаждаются на них. Осадительные электро-
ды периодически встряхиваются, пыль с них собирается в специаль-
ных бункерах.
220
§ 5.4. Потребление электрической энергии
Промышленность потребляет основную долю электрической
энергии, которая в 1975 г. в СССР составила 63%. Нужно отме-
тить, что за десятилетие с 1965 по 1975 г. удельное потребление
электрической энергии промышленностью несколько снизилось за
счет быстрых темпов развития других отраслей народного хозяй-
ства (сельского хозяйства, транспорта) и увеличения потребляемой
ими электроэнергии.
Заметно увеличилось потребление электроэнергии ком-
мунально-бытовыми приборами и установками.
В самой промышленности произошло увеличение доли производст-
ва средств потребления, что также сказалось на перераспределе-
нии удельных потреблений электроэнергии.
Важно не только увеличивать количество потребляемой электро-
энергии, но и повышать эффективность ее использования, опреде-
ляемую соотношением между электровооруженностью и произво-
дительностью труда. Электровооруженность рассчитывает-
ся в киловатт-часах на одного работающего в промышленности.
В целом для промышленности характерны опережающие темпы
роста электровооруженности труда по сравнению с производитель-
ностью. Так, в период с 1929 по 1968 г. среднегодовые темпы роста
электровооруженности труда составили 7,5%, а производительности
труда — 6,6%.
Повышение производительности промышленного производства
существенно зависит от электрификации вспомогательных работ.
Как показывает опыт, электрификация вспомогательных и транс-
портных работ в 3—4 раза эффективней электрификации основно-
го производства в случаях, когда свыше 40% всего промышленно-
производственного персонала занято на этих работах (предприятия
с большим удельным весом ручного труда).
Электрификация сельского хозяйства во многом
определяется специфическими условиями этой отрасли, выражаю-
щимися в распространении производства на обширных территориях,
низкой концентрации труда, сезонности и т. д. Необходимость ши-
рокого применения электрической энергии в сельском хозяйстве
была выражена еще в плане ГОЭЛРО. В первые годы развития
советской электроэнергетики на кооперативных началах создава-
лись сельские электростанции, электрическая энергия которых в ос-
новном использовалась для электрического освещения. Однако уже
к 1940 г. доля электроэнергии, непосредственно используемой в сель-
скохозяйственном производстве, составила 42,5%.
По мере развития электроэнергетических систем сельскохозяй-
ственных потребителей в возрастающем количестве стали подклю-
чать к источникам централизованного производства электроэнер-
гии. Это давало возможность существенно снизить себестоимость
получаемой в сельскохозяйственных районах электроэнергии. Так,
мелкие электростанции давали дорогую электроэнергию с себестои-
мостью 5—10 коп/кВт-ч, а энергосистемы отпускали электроэнер-
221
гию с себестоимостью 0,9—1,3 коп/кВт-ч. В 1965 г. более Половины
электрифицированных колхозов и совхозов получали электроэнер-
гию от государственных энергетических систем.
Электрификация и механизация отдельных сельскохозяйствен-
ных производств позволяет существенно повысить производитель-
ность труда. Например, в результате электромеханизации труда на
птицефермах производительность труда удается повысить на 70%.
В сельском хозяйстве электрическая энергия применяется для
самых различных нужд: обогрева помещений в парниковых хозяй-
ствах, приведения в движение вновь создаваемых совершенных про-
изводственных механизмов, электромашинного орошения. Кроме
того, она применяется в сельскохозяйственных процессах, исполь-
зующих токи высокой частоты, ультрафиолетовые и инфракрасные
лучи, ультразвук и т. п.
Применение электроэнергии в быту позволяет максимально при-
близить условия жизни в сельской местности к условиям жизни
в городе.
В настоящее время созданы все предпосылки для превращения
сельского хозяйства в высокопроизводительную индустриальную
отрасль народного хозяйства.
Особое значение имеет электрификация мобильных сельскохо-
зяйственных установок, в первую очередь тракторов. Как показы-
вают расчеты, стоимость электротракторов с учетом капиталовло-
жений в подстанции и электрические сети для подвода электро-
энергии в 3—4 раза выше, чем у тракторов с двигателями внутрен-
него сгорания. Положение может измениться в случае, если будут
созданы совершенные аккумуляторы электрической энергии. Пер-
спективно также использование принципиально новых источников
электроэнергии, например таких, как топливные элементы, при
улучшении их технических и экономических характеристик.
Темпы развития сельского хозяйства, его механизации и элект-
рификации позволяют ориентировочно оценить перспективное по-
требление электроэнергии к концу XX в., которое составит 250—
400 ТВт-ч, что приведет к увеличению электровооруженности сель-
скохозяйственного труда по сравнению с существующими показате-
лями в 8—10 раз.
Большое количество электрической энергии потребляет элект-
рифицированный железнодорожный транспорт.
В настоящее время важнейшие магистральные артерии в нашей
стране электрифицированы. Переход на электрическую тягу позво-
ляет значительно повысить пропускную и провозную способность
за счет увеличения скорости движения поездов, снизить себестои-
мость перевозок, повысить экономию топлива, ускорить электрифи-
кацию прилегающих районов и т. д.
Для электрификации железнодорожного транспорта использует-
ся как постоянный, так и переменный ток. Однако применение пе-
ременного тока по ряду показателей выгоднее и в последнее время
электрификация железных дорог ведется преимущественно на пе-
ременном токе. К преимуществам использования переменного тока
222
относятся: значительная экономия меди, достигающая 2—3 т на
1 км двухцепной линии, сокращение числа тяговых подстанций, сни-
жение в 3—5 раз потерь энергии в контактной сети, улучшение ха-
рактеристик электровозов. Возрастает также потребление энергии
на осуществление производственных процессов, погрузочно-разгру-
зочных и сортировочных работ, путевых работ; внедрение методов
электротехнологии в депо при ремонтных работах и т. д.
Применение электрической энергии на железнодорожном транс-
порте и рост электровооруженности в промышленности показаны
на рис. 5.14.
40
"Электровозная
тяга
Рис. 5.14. Применение электрической энергии в народном хозяйстве:
10 % Я MJE1 И0Н£0Я0б1ЯЭ1Г€ воэя
оюичц’э'п'Х iood — 9 ‘0141 я jodotf хгчнеэЪэж хтчннияоДийиф^хиэтге нхэоннэжвхс^и
130d — 9 !’J £161 10 XKIfOtf S HX00HH3irmi4W0dn Я BtfAdl Н1Э0ИН9ЖЛЙ00Я031МЭ1Г6 xood — V
Одна из основных тенденций в развитии железнодорожного
транспорта —• увеличение скорости движения составов. Здесь важ-
но установить разумные, экономичные пределы между скоростями
наземного и воздушного транспорта. Считается, что целесообразно
увеличивать скорость наземного железнодорожного транспорта до
300 км/ч. В СССР уже достигнуты скорости движения пассажир-
ских поездов 200 км/ч и более. Увеличение скорости более 300 км/ч,
если это окажется экономически целесообразным для железнодо-
рожного транспорта, возможно за счет применения воздушной по-
душки. В проектах с пневмопроводом тяга в трубе создается атмос-
ферным давлением. Скорость движения вагона в такой трубе мо-
жет достигать 800 км/ч.
Наряду с созданием новых конструкций поездов в перспективе
(до конца XX в.) сохранятся в большом количестве электропоезда
современных типов. В этих поездах будет совершенствоваться сис-
223
тема преобразования рода тока, регулирования силы тяги и скоро-
сти движения на основе тиристорных элементов. Произойдет также
значительное увеличение единичных мощностей тяговых двига-
телей.
В отношении внутригородского транспорта в пер-
спективе на 20—30 лет можно ожидать массовое появление
электромобилей и электробусов, получающих электро-
энергию от аккумуляторов. Подзарядка аккумуляторов может про-
изводиться в те часы суток, когда нагрузка в системе уменьшается
(чтобы обеспечить равномерное потребление электроэнергии).
Использование электротранспорта в городах позволит значи-
тельно оздоровить воздушные бассейны, так как в современных ус-
ловиях автомобили вносят основную долю загрязнения атмосферы.
Рис. 5.15. Примерный график потребления элек-
троэнергии в течение зимних суток в большом го-
роде
Электрическая энергия в быту расходуется во все
возрастающих количествах. В прошлом, на первых этапах развития
электроэнергетики и электрификации, электрическая энергия в бы-
ту в основном использовалась для освещения. По мере развития
электротехнической промышленности создавались совершенные и
удобные бытовые приборы — холодильники, телевизоры, стираль-
ные машины и т. п. Широкое применение этих приборов способст-
вовало увеличению потребления электроэнергии. В возрастающем
количестве электрическая энергия стала использоваться для при-
готовления пиши на предприятиях общественного питания и в
квартирах, что способствовало улучшению гигиенических условий,
Потребление электроэнергии промышленными предприятиями,
транспортом, электробытовыми приборами, подключенными к энер-
гетической системе, меняется как в течение суток, так и в течение
года. Примерный вид графика потребления электроэнергии в боль-
шом городе в зимний день показан на рис. 5.15. В утренние часы,
когда начинают работу предприятия, включается освещение в квар-
тирах, приводится в движение городской транспорт, потребление
электроэнергии значительно возрастает, т. е. наступает так назы-
ваемый утренний максимум нагрузки. Днем нагрузка в системе
уменьшается (обеденные перерывы, окончание работы смен) в свя-
224
зи с некоторым снижением производительности труда. Вечером на-
грузка в системе, как правило, достигает максимальных величин,
так как в это время напряженно работает городской электрифици-
рованный транспорт, включается уличное освещение, зажигается
свет в квартирах и включаются многочисленные электроприборы —
телевизоры, радиоприемники, нагревательные устройства и т. д.
В эти же часы продолжают работать некоторые предприятия.
Ночью большая часть потребителей электроэнергии не работает и
наступает глубокий «провал» нагрузки.
На потребление электрической энергии оказывает влияние и
время года. Так, например, в зимнее время больше расходуется
электроэнергии на освещение и отопление. Имеют значение также
погодные условия. Выпадение снега приводит к повышенному по-
треблению электроэнергии транспортом. Внезапное похолодание
или потепление приводит к изменению потребления энергии на обо-
грев помещений. Непредвиденно может измениться потребление
электроэнергии на промышленных предприятиях, где количество
включенного электрооборудования и его мощность могут быть раз-
личными, например, из-за перестройки технологического процесса,
конструктивных изменений выпускаемых изделий ц т. д. Огромное
количество факторов, влияющих на потребление электроэнергии
в энергетической системе, невозможно заранее однозначно предска-
зать, так как эти факторы в силу объективных законов имеют слу-
чайную природу. В то же время для управления режимами элект-
роэнергетических систем весьма желательно знать, как будет из-
меняться во времени потребление энергии.
Прогнозирование графиков нагрузок может быть
сделано с помощью методов математической статистики и теории
вероятностей. При этом невозможно предсказать абсолютно точно,
каким именно будет график нагрузки. Однако, изучая закономер-
ности случайных изменений нагрузки при их массовом повторении,
можно предсказать среднестатистическую конфигурацию графика.
При этом можно оценить и количественно отклонения реального
графика от среднестатистического.
§ 5.5. Понятие об электроэнергетической системе
Под электроэнергетической системой понимается совокупность
взаимосвязанных элементов, предназначенных для производства,
преобразования, передачи, распределения и_ потребления электро-
энергии.
К элементам электроэнергетической системы относятся гене-
раторы, осуществляющие преобразование механической энергии
в электрическую; трансформаторы, преобразующие величи-
ны напряжений и токов; линии электропередачи, предна-
значенные для транспортировки электроэнергии на расстояние;
всевозможное вспомогательное оборудование, изменяющее
свойства системы; а также у с т р о й ст в а управления и ре-
гулирования.
8 Зак 1540 I 228
Режим системы, т. е. ее состояние в данный момент времени,
характеризуется параметрами, определяющими процесс ее функ-
ционирования. К таким параметрам режима относятся величины
мощностей, напряжений, токов, частоты и т. д. Режимы подразде-
ляются на установившиеся и переходные. Параметры
установившихся режимов сохраняются на рассматриваемом интер-
вале времени неизменными или изменяются относительно медлен-
но. Переходные режимы соответствуют переходу системы от одно-
го установившегося режима к другому; для них характерны отно-
сительно медленные и малые или быстрые и значительные измене-
ния параметров. Для того чтобы электроэнергетическая система
могла нормально функционировать, а потребители электрической
энергии могли работать согласно заложенным в их конструкции
характеристикам, необходимо соответствие параметров режима оп-
ределенным величинам. При этом обеспечивается приемлемое к а-
чество электроэнергии, подводимой к потребителям, кото-
рое характеризуется значениями напряжения, частоты, симметрией
(для трехфазного тока) и синусоидальностью (формой кривой пе-
ременного тока).
Физические свойства элементов электрической системы и взаи-
мосвязи элементов между собой характеризуются параметрами
электрической системы. К. таким параметрам относятся: сопротив-
ления элементов, моменты инерции и постоянные времени, харак-
теризующие скорости изменения электрических и механических ве-
личин, и т. д.
Элементы электрической системы связаны единством про-
исходящих в них процессов. Так, на протекание электро-
магнитных процессов, вызванных, например, возмущениями в элект-
рической сети, оказывают влияние режимы работы турбин, механи-
ческая энергия которых преобразуется в электрическую. На эти же
процессы влияют режимы работы электрических двигателей и при-
соединенных к ним производственных механизмов, так как в двига-
телях электрическая энергия преобразуется в механическую. Изме-
нения режимов работы турбины, в свою очередь, вызывают изме-
нения параметров пара в паропроводах, а следовательно, и работы
парогенераторов.
Расход угля, газа или какого-либо другого органического топли-
ва на ТЭС или расход воды на ГЭС зависит от потребления элект-
роэнергии в системе.
Системы угледобывающие, газо- и нефтеснабжающие и другие
совместно с электроэнергетической системой образуют Единую
объединенную энергетическую систему страны.
Такое энергетическое объединение располагает мощностями, соиз-
меримыми с мощностями геофизических явлений, происходящих
на нашей планете (см. введение).
Организация наиболее целесообразной (экономически и техни-
чески) оптимальной эксплуатации Единой объединенной энергети-
ческой системы имеет чрезвычайно важное значение для всего на-
родного хозяйства. Поэтому в настоящее время особенно остро ста-
226
вится проблема привлечения качественно новых, наиболее совер-
шенных методов управления, основанных на новейших достижени-
ях науки и техники.
Электроэнергетическая система, таким образом, тесно связана
с другими системами (в том числе и с окружающей биологической
средой), образующими глобальную систему. При проектировании
развития электроэнергетической системы и управлении ее режима-
ми эти связи необходимо учитывать.
-/Для графического изображения электроэнергетичес-
ких систем, а также отдельных ее элементов и связи между эле-
ментами используют общепринятые условные обозначения.^Услов-
ные обозначения, или символы, позволяют на чертеже просто пока-
зать тот или иной вид электроустановки. Например, генератор, воз-
душную или кабельную линию электропередачи условно изобра-
жают, отвлекаясь от конкретных технических характеристик—- кон-
структивного выполнения, мощности, размеров, веса, числа оборо-
тов и т. д. Составляя схему из условных обозначений, можно в на-
глядном виде показать основные, наиболее общие структурные свой-
ства электроэнергетической системы, не затемняя их ненужными
деталями.
На заре развития электротехники не было, условных обозначений, и ученые
и инженеры вынуждены были изображать каждый раз общие виды и разрезы
электрооборудования. Но далее, подобно тому, как с развитием культуры и повы-
шением общего уровня цивилизации разговорный язык становился все более
абстрактным, язык электротехники также
наиболее общих свойств широкого класса
можно представить себе любое дерево —
дуб, сосну, ель, молодое дерево и ста-
рое, так же при начертании условного
изображения трансформатора можно
подразумевать и мощный силовой транс-
форматор, способный преобразовать ог-
ромные потоки энергии, и трансформа-
тор миниатюрный, используемый для
питания электронных приборов.
На рис. 5.16 показаны условные
обозначения основных элементов элек-
троэнергетической системы.
* Примерная схема относительно про-
стой электроэнергетической системы при-
ведена на рис. 5.17. Здесь электрическая
энергия, вырабатываемая на двух элек-
тростанциях различных типов, подводит-
ся к потребителям, удаленным друг от
друга. Для того чтобы передать электри-
ческую энергию на расстояние, ее пред-
варительно преобразовывают, повышая
напряжение трансформаторами. У мест
потребления электроэнергии напряжение г
чертанию схемы можно понять, что электроэнергия передается по воздушным
линиям (ЛЭП). Все элементы электроэнергетической системы связаны происходя-
щими в них процессами, и поэтому система при решении ряда задач должна рас-
сматриваться как качественно повое (по сравнению с отдельными элементами)
единое образование. К таким задачам можно отнести регулирование частоты и
напряжения, определение экономически целесообразных потоков мощностей
совершенствовал способы изооражения
устройств. Как при слове «дерево»
нагрузки
Генераторы
Кабельные линии
Выключатели
Воздушные линии
Транссрор-
маторы
Рис. 5.16. Условные обозначения
новных элементов электрической
стемы
ос-
си-
на-
8»
227
и т. п. Наряду с системными задачами существуют такие, в которых можно огра-
ничиться рассмотрением отдельных элементов, отвлекаясь от их связей с осталь-
ной частью системы. Например, если мощность одного из трансформаторов, под-
ключенных к распределительному пункту (РП), намного меньше мощности дру-
гих трансформаторов, то при изменениях нагрузки рассматриваемого трансформа-
тора напряжение на шинах РП практически будет оставаться неизменным. Иными
словами, можно с достаточной для практических целей достоверностью считать,
что трансформатор подключен к источнику с неизменным напряжением, и рас-
сматривать режимы работы трансформатора без учета свойств системы.
НЭП НО К В
Рис. 5.17. Схема электрической системы:
ЛЭП — линия электропередачи, РП — распределительный
пункт
Схема, приведенная на рис. 5.17, представлена в однолинейном изображении.
В действительности элементы электроэнергетической системы, работающие на пе-
ременном токе, имеют, как правило, трехфазное исполнение. Однако для выявле-
ния структуры системы, направлений энергетических потоков, проходящих через
ее элементы, и решения многих других вопросов электроэнергетики нет необходи-
мости пользоваться трехфазным изображением системы, а вполне достаточно
воспользоваться абстрактным однолинейным ее изображением.
Часть электрической системы, предназначенная для передачи
и распределения электрической энергии, содержащая подстанции,
линии электропередачи и распределительные устройства, называ-
ется электрической сетью.
На подстанциях производится преобразование, а иногда и рас-
пределение электрической энергии. Под преобразованием электри-
ческой энергии понимается изменение величины напряжения и то-
ка в трансформаторах. Электрические сети подразделяют по ряду
признаков, таких, как:
228
1. Напряжение сети. Сети могут быть низковольтными
напряжением до 1000 В и высоковольтными напряжением 1000 В
и выше.
Элементы современных электрических сетей выполняются на
различные величины номинальных напряжений. Номинальное нап-
ряжение (ток или какой-либо другой параметр режима) —это та-
кое напряжение, которое соответствует нормальной и экономичной
работе элемента электрической системы. Существует шкала стан-
дартных номинальных напряжений: 0,22; 0,38; 0,66; 3; 6; 10; 20; 35;
110; 150; 220; 330; 500; 750 кВ.
2. Род тока. Сети могут быть постоянного и переменного тока.
Электрическая энергия может потребляться либо на постоянном, ли-
бо на переменном, либо на постоянном и переменном токе. На по-
стоянном токе работают различные электрохимические установки,
например ванны для получения различных материалов, электри-
ческие двигатели и ряд других потребителей. Среди потребителей
электрической энергии, работающих на переменном токе, наиболее
распространены асинхронные электрические двигатели. Установки,
использующие тепловую энергию, получаемую из электрической,
так же как лампы накаливания, обогревательные устройства, мо-
гут успешно работать как на постоянном, так и на переменном то-
ке.
Электрические сети выполняются в основном на переменном
токе. Постоянный ток целесообразно использовать при передаче
больших мощностей на сверхдальние расстояния.
3. Назначение. Районные сети предназначаются для соеди-
нения крупных электрических станций и подстанций и выполняют-
ся на напряжение 35 кВ и выше. Сети напряжением 330, 500 и
750 кВ относят к межсистемным связям, так как они в основном
предназначаются для соединения крупных электроэнергетических
систем. Распределительные сети выполняют функции распределе-
ния электрической энергии между отдельными потребителями, про-
мышленными предприятиями, сельскохозяйственными нагрузками
и т. д.
4. Конструктивное выполнение линий. Линии мо-
гут быть воздушными и кабельными.
§ 5.6. Принцип работы и конструктивное выполнение
основных элементов электроэнергетической системы
К основным элементам электроэнергетической
системы (иногда называемым силовыми элементами) отно-
сятся установки, осуществляющие выработку электрической энер-
гии, ее преобразование, передачу на расстояние и потребление.
В промышленных масштабах электрическую энергию получают
на электрических станциях преобразованием различных видов энер-
гии— химической энергии органического топлива, внутриядерной
энергии, гидроэнергии и т. д. Преобразование электрической энер-
8 в Зак. 1540
229
Гии к виду, удобному для передачи, распределения и потребления,
производится с помощью трансформаторов.
Передача электрической энергии на расстояние осуществляет-
ся по воздушным или кабельным линиям. Потребление ее происхо-
дит различными механизмами, но, как следует из предшествующе-
го рассмотрения, значительная доля расходуется на приведение в
движение производственных механизмов электрическими двигате-
лями переменного тока.
Синхронные генераторы на станциях преобразуют механическую
энергию турбин в электрическую.
На ТЭС турбогенераторы изготовляются быстроходными с но-
минальной частотой вращения 3000 мин-1 в соответствии с при-
нятой в СССР стандартной частотой переменного тока, равной
50 Гц. Ротор генератора выполняют цилиндрическим. Большие час-
тоты вращения повышают экономичность работы паровых турбин и
позволяют уменьшить габариты турбин и генераторов.
В отличие от турбогенераторов гидрогенераторы выполняют ти-
хоходными, с различными частотами вращения, определяемыми на-
пором и расходом воды в створе реки. Значительно меньшие часто-
ты вращения роторов гидрогенераторов приводят к относительному
увеличению их размеров.
Повышение мощности генераторов может быть получено увели-
чением токов в обмотках, напряжений и магнитных потоков, что
приводит к возрастанию размеров ротора и статора. Однако мак-
симальные размеры ротора ограничиваются допустимыми механи-
ческими нагрузками. Поэтому единичные мощности генераторов уве-
личивают повышением плотности тока в обмотках, что сопровожда-
ется значительным выделением в них тепла и, следовательно, необ-
ходимостью применять совершенные системы охлаждения. Для ох-
лаждения генераторов используют воздух, водород и воду.
На одном валу с генератором располагается турбина. На ТЭС
турбинные и котельные агрегаты вместе с вспомогательным обору-
дованием соединяют в независимые блоки. Число блоков на станции
обычно достигает 8—12, а мощность станции —4000—6000 МВт.
Место расположения электростанции зависит не только от усло-
вий снабжения ее первичными энергоресурсами, но и от наличия в
достаточном количестве воды.
Работу главных агрегатов блока обеспечивают вспомогательные
машины, для приведения в действие которых расходуется электро-
энергия. Мощность, расходуемая на собственные нужды блока, со-
ставляет 4—8% от его мощности.
На ТЭС электроэнергия расходуется на приготовление топлива,
подачу воды в котлы, управление оборудованием и т. п. Расходы
электроэнергии на собственные нужды ГЭС меньше. Они вызывают-
ся техническим водоснабжением, управлением гидротехническим и
электротехническим оборудованием, охлаждением генераторов и
т. п. На крупных ГЭС собственное потребление электроэнергии со-
ставляет доли процента от общей выработки.
230
К механизмам собственных нужД электростанций предъявляют
высокие требования в отношении надежности их работы, так как
отказы или снижения производительности механизмов могут при-
вести к прекращению выработки электроэнергии крупным блоком
и отключению в связи с этим большого количества потребителей
электроэнергии. Для механизмов собственных нужд предусматри-
вают резервный источник питания, в качестве которого обычно ис-
пользуют систему.
При пуске блока в работу вначале приводят в движение меха-
низмы собственных нужд. В процессе пуска увеличивают давление
и температуру пара, а скорость вращения агрегата доводят до но-
минальной. Затем подают питание к обмотке возбуждения и гене-
ратор электрически соединяют с энергосистемой. Далее постепенно
нагружают блок, увеличивая впуск пара в турбину.
Частые пуски и остановки блоков нежелательны, так как они
приводят к повышенному износу основных агрегатов и вспомога-
тельного оборудования, понижают надежность их работы, вызыва-
ют дополнительный расход топлива. Обычно блоки непрерывно ра-
ботают в течение нескольких месяцев. В ночные часы их мощность
несколько снижают.
Турбогенераторы вырабатывают электроэнергию обычно при на-
пряжении, не превышающем 24 кВ. Чтобы передать электроэнергию
на расстояние, необходимо повысить напряжение до ПО—750 кВ и
выше. Для этого в блоки включают повышающие трансформаторы.
Электростанции в большинстве случаев выдают электроэнергию на
двух, иногда на трех напряжениях, на которых производится рас-
пределение электроэнергии между отходящими линиями электропе-
редач.
Имеющиеся на ГЭС водохранилища позволяют регулировать
расход воды, а следовательно, и мощность станций таким образом,
чтобы обеспечить по возможности равномерную работу ТЭС в си-
стеме. При этом в системе в целом достигается наилучший эконо-
мический эффект.
В период времени, когда нагрузка в системе уменьшается, во-
да аккумулируется в водохранилище ГЭС. Агрегаты работают с ми-
нимальной мощностью или останавливаются. Как только нагрузка
резко возрастает, например в утренние или вечерние часы «пик»,
агрегаты ГЭС работают на полную мощность; расход воды в эти
часы может превышать ее приток. Процесс пуска и набора мощ-
ности гидроагрегатом полностью автоматизирован и производится
всего за несколько минут.
Гидравлические турбины хорошо приспособлены к переменному
режиму работы.
За период регулирования, который зависит от объема водохра-
нилища, расход воды ГЭС равен ее естественному притоку. Пери-
од регулирования может составлять сутки, недели и месяцы. Во
время паводков, чтобы уменьшить холостой сброс воды через пло-
тину, ГЭС работают круглосуточно с максимальной рабочей мощ-
ностью.
8 в* 231
Рис. 5.18. Наведение э. д. с.
в подвижном проводнике
щие сопротивления и
и т. п. Дополнительные
Из-за большого объема строитель-
ных работ удельная стоимость ГЭС
(руб./МВт) больше, чем у ТЭС, но зато
себестоимость вырабатываемой электро-
энергии значительно ниже.
Кроме основных в электроэнергети-
ческой системе имеются различные до-
полнительные устройства, предназначен-
ные для регулирования свойств основных
элементов: всевозможные устройства ав-
томатики, коммутационные аппараты,
компенсирующие устройства, изменяю-
проводимости линий электропередачи,
устройства придают электрическим си-
стемам качественно новые свойства, повышают надежность их
работы, облегчают управление, улучшают качество электроэнер-
гии. Эти устройства вместе с основными элементами составляют
органическое единство — электрические системы.
По мере развития техники, расширения и углубления научных
знаний совершенствовались конструкции элементов электроэнерге-
тических систем и улучшались характеристики используемых ма-
териалов. Принципы работы элементов электроэнергетических си-
стем основаны на использовании законов электротехники.
V Синхронный генератор. Принцип работы таких генераторов ос-
нован на законе электромагнитной индукции Фарадея, который в
наиболее общем виде устанавливает, что э. д. с. определяется ско-
ростью изменения магнитного потока:
е=—dCb/dt.
Появление э. д. с. при движении проводника в магнитном поле
иллюстрируется рис. 5. 18.
х. Машинный генератор переменного тока состоит из неподвижно-
го статора и вращающегося ротора. Обычно ротор выполняется в
виде электромагнитов, обмотки которых называются обмотками
Рис. 5.19. Условная схема
синхронного генератора
Рис. 5.20. Определение
э. д. с. в обмотках генера-
тора
232
и
э. д. с. необходимо, чтобы
Рис. 5.21. Изменение э. д. с. гене-
ратора во времени при одном по-
вороте ротора генератора
возбуждения. Эти обмотки полуЧаЮт питание от источника посто-
янного тока через кольца и щетки. В пазах статора, выполненно-
го из тонких стальных листов, находятся проводники, соединенные
между собой последовательно (рис. 5. 19)., При вращении ротора
в одном проводнике индуктируется э. д. с. "
ei.=Blv.
Длина проводника I и скорость вращения ротора v не изменя-
ются, а магнитная индукция В изменяется по величине и направле-
нию. Для получения синусоидальной
распределение магнитной индукции
по окружности было синусоидаль-
ным. Так как проводники соедине-
ны последовательно, то величина
э. д. с. на зажимах ab (рис. 5.20)
равна сумме э. д. с.; наводимых в
каждом проводнике. /За один обо-
рот ротора в каждом проводнике
проходит два полных периода изме-
нения э. д. с. (рис. 5.21), так как
на роторе расположены две пары
полюсов, у
Частота переменного тока при
частоте вращения ротора п (мин-1) и числе пар полюсов р опреде-
ляется по формуле
f—pn/60.
Трехфазный синхронный генератор отличается от однофазного
тем, что на статоре его расположены три обмотки; каждая из них
сдвинута относительно другой в пространстве на 120° (рис. 5.22,а).
Мощный синхронный генератор представляет собой сложное соо-
ружение. Общий вид (в разрезе) Красноярского гидроагрегата по-
казан на рис. 5. 22, б.
При вращении ротора, выполненного в виде электромагнита, в проводниках,
расположенных на статоре, будут наводиться э. д. с. Э. д. с. в электрически свя-
занных проводниках складываются. Например, при вращении ротора против часо-
вой стрелки в проводнике 1 (рис. 5.22, а) э. д. с. будет направлена от плоскости
чертежа вглубь, а в проводнике 4 — наружу. В сумме эти две э. д. с. определяют
величину фазной э. д. с. ел, направленную от зажима х к зажиму А. Аналогично
определяется э. д. с. в других обмотках. Если в воздушном зазоре магнитная ин-
дукция распределена по синусоидальной кривой, то в фазах В и С э. д. с. сдви-
нуты на 120°. В фазе В э. д. с. отстает на 120° от э. д. с. фазы А:
ев=ет sin (a>t—120°);
э. д. с. в фазе С отстает на 240°:
ес=ет sin (<о/—240°);
э. д. с. в фазе А
eA=em$inti>t.
233
Рис. 5.23. Получение враща-
ющегося магнитного поля
Вращающееся магнитное поле:-.В синхронных
генераторах переменного тока вращающееся маг-
нитное поле создается вращением электромагнита
первичным двигателем (турбиной). Вращающееся
магнитное поле может быть получено также при
протекании переменных синусоидальных токов,
сдвинутых по фазе на 90°, в катушках, располо-
женных в пространстве под углом 90° (рис. 5.23).
Предположим, что в катушках А и В протекают
токи:
IA = Im sin со/; IB=Im sin (<о/-|-900).
Значения магнитных индукций полей, созда-
ваемых токами, также будут сдвинуты по фазе
на 90°:
ВЛ — Вт sin со/; Вв=Вт созсо/.
Величина индукции результирующего магнитного поля, образованного двумя
переменными полями, оказывается постоянной:
Врез=VВ\ + В 2=Вт "|/siп2 со/ + cos2 со/ = Вт.
Результирующее магнитное поле с вертикальной осью образует переменный
угол а. Действительно,
В a sin со/
tga = ——= --------- = tgco/; а = ш/,
Вв cos со/
т. е. результирующее магнитное поле вращается со скоростью co = 2nf. За одну
секунду поле совершает f оборотов, за минуту — f-60. При стандартной частоте
тока 50 Гц поле вращается с частотой 50-60=3000 мин-1.
Синхронный двигатель. Обмотками статора в двигателе создает-
ся вращающееся магнитное поле, которое для наглядности можно
рассматривать в виде вращающегося магнита. Подвижный ротор
выполняется как постоянный магнит у малых двигателей. При
совпадении осей магнитных полей статора и ротора (рис. 5.24, а)
двигатель не развивает вращающего момента. Если ось магнитно-
го поля ротора смещается на угол б (рис. 5.24, б), то в соответ-
ствии с правилом Фарадея силовые линии магнитного поля стре-
мятся сократиться по длине и вызы-
вают появление вращающего мо-
мента.
'/ Асинхронный двигатель. В конст-
руктивном отношении асинхронный
двигатель представляет собой непо-
движный статор, в обмотках кото-
рого трехфазным током создается
вращающееся магнитное поле, и по-
движный ротор, выполненный из
электропроводящего материала. На
роторе обычно располагают замкну-
тые обмотки. При вращении магнит-
ного поля (рис. 5.25) -подвижный
проводящий диск (пли цилиндр)
Рис. 5.24. Принцип работы син-
хронного двигателя:
а, б —совпадение и несовпадение на-
правлений магнитных полей статора и
. х ротора соответственно
235
Рис. 5.25. Принцип работы
асинхронного двигателя
также будет вращаться, увлекаясь
магнитным полем.у Такой опыт был
проделан знаменитым французским
физиком и астрономом Араго. Вра-
щающий момент в двигателе возника-
ет при взаимодействии наведенных
токов ротора и магнитного поля ста-
тора. Токи в роторе протекают под
действием э. д. с., которые появляются
при пересечении магнитным полем ста-
тора замкнутых проводящих контуров
ротора в соответствии с законом электромагнитной индукции. Сле-
довательно, для работы асинхронного двигателя необходимо, что-
бы скорости вращения ротора и магнитного поля статора были
различны. Относительная разность между этими скоростями назы-
вается скольжением:
S— (®ст —" Ырот) /йст.
Величина вращающего момента, развиваемого ротором, зави-
сит от скольжения (рис. 5. 26). При одинаковых частотах враще-
ния полей статора и ротора (s=0) э. д. с. в роторе не индукти-
руется, следовательно, токи в нем отсутствуют и вращающий
электромагнитный момент равен нулю. При неподвижном роторе
(з = 1) двигатель должен развивать пусковой момент А1пуск, боль-
ший механического AfMexi, для того чтобы быть запущенным в ра-
боту.
Динамическое равновесие, при котором частота вращения ро-
тора двигателя постоянна, определяется равенством тормозного
механического и вращающего электромагнитного моментов. При
увеличении механического момента (до значения Л1мех2) уменьша-
ется частота вращения ротора асинхронного двигателя (скольже-
ние увеличивается от sOi ДО «ог)
\/ Трансформаторы. Широкое распространение переменного тока
в электроэнергетике обусловлено возможностью получения наибо-
лее простых конструкций электрических машин, работа которых
основывается на наведении э. д. с. переменным магнитным пото-
Рис. 5.26. Характеристика враща-
ющего момента асинхронного дви-
гателя
Рис. 5.27. Схема трансформатора
236
ком. Еще одно преимущество переменного тока — простота преоб-
разования напряжения, что важно для передачи электрической
энергии на расстояние. Изменение величин напряжения и тока про-
изводится в трансформаторах.
Трансформатор был изобретен в 1876 г. П. Н. Яблочковым. Простейший
трансформатор состоит из железного магнитопровода, па котором расположены
две обмотки с различными числами витков wt и w2 (рис. 5.27). Изменяющийся
в сердечнике магнитный поток Ф наводит в катушках э. д. с., величины которых
пропорциональны числам витков:
et=—Widd>l<lt-, e2——w2d<btdt.
Э. д. с., индуктируемые в катушках, практически равны напряжениям
(£!«»!,
Потери мощности в трансформаторе невелики и с достаточной точностью
можно считать, что мощность, подводимая к первичной обмотке, равна мощности
на выходе вторичной обмотки:
Р^Рг.
На рис. 5.28 показан внешний вид современного силового трансформатора.
Если напряжение на выводах вторичной обмотки увеличить, например,
в 100 раз, то во столько же раз уменьшится величина тока. Снижение величины
тока существенно для переда-
чи электрической энергии на
расстояние, так как позволяет
значительно уменьшить потери
мощности, пропорциональные
квадрату тока. Примерная схе-
ма электропередачи, в которой
используется высокое напряже-
ние, показана на рис. 5.29. В
начале линии электропередачи
с помощью повышающего
трансформатора увеличивается
напряжение до ПО кВ. При
этом напряжении электроэнер-
гия передается на расстояние.
В конце электропередачи энер- ЯК
гия вновь преобразуется, при-
чем напряжение уменьшается
до величины 10 кВ, а затем и ftt
до более низкой величины — Чг''
0,22 кВ. Повышение напряже-
ния линии электропередачи до
ПО кВ позволяет в приведен-
ной схеме в 500 раз уменьшить
величину тока в линии по р
сравнению с током, притекаю-
щим в нагрузку.
5.28. Современный мощный трехфазный
трансформатор
К одному из основных параметров режима электроэнергетичес-
кой системы относится частота. В энергетических системах СССР
и Европы принята стандартная частота переменного тока /=50 Гц.
В США частота переменного тока /=60 Гц. На некоторых ав-
тономных установках, самолетах и кораблях используются более
высокие частоты (400 Гц), что позволяет уменьшить габариты элек-
трических машин. Значения частоты, меньшие 50 Гц, применяют-
ся сравнительно редко. Для многих потребителей и отраслей народ-
237
кого хозяйства более целесообразно использование нестандартной
частоты. Значение частоты выбирается путем проведения технико-
экономических расчетов. Для некоторых потребителей возможные
значения частот ограничиваются техническими условиями, опреде-
ляющими их работоспособность. Например, тепловая инерция ламп
Рис. 5.29. Принципиальная схема электропередачи
накаливания позволяет применять частоту не ниже 25 Гц, при ко-
торой становится заметной пульсация света. Диапазон звуковых
частот — от 20 Гц до 20 кГц.
Линии электропередачи. По конструктивному выполнению ли-
нии электропередачи подразделяются на воздушные и кабельные.
Металлические провода воздушных линий подвешиваются к опо-
рам через изоляторы с помощью специальных зажимов.
Рис. 5.30. Характеристики опор н линий электропередач различных на-
пряжений:
а — общий вид опор; б — конструктивные характеристики (с — ширина полосы от-
чуждения трассы, d —высота опоры, п — количество изоляторов в гирляндах)! в—
зависимость удельной стоимости передачи электроэнергии от напряжения
Опоры выполняются деревянными, металлическими и железо-
бетонными в зависимости от назначения линий, используемого на-
пряжения, экономических соображений и т. и. Некоторые конст-
рукции опор предназначены для поддержания проводов; они вос-
принимают только вертикальные нагрузки веса проводов и называ-
238
ются промежуточными. Су-
ществуют конструкции опор,
воспринимающие горизон-
тальные нагрузки тяжения
проводов; они называются
анкерными. Кроме того, вы-
полняются опоры специаль-
ного назначения для пере-
вода линии через водные
препятствия и горные
ущелья, для изменения на-
правления линии и т. д. На
рис. 5.30 приведены харак-
теристики опор различных
напряжений: а — общие ви-
ды опор разных конструк-
ций; б — их габариты, коли-
чество изоляторов; в — сто-
имость передачи электро-
энергии. Следует заметить,
что рост напряжений элек-
тропередач тесно связан с общим ростом мощности энергетической
системы нашей страны, развитием ее промышленности и необхо-
димостью передачи все большей энергии и мощности на все воз-
растающее расстояние.
На рис. 5.31 показаны ретроспективная ( в прошлом), современ-
ная и будущая (за 100 лет) передачи энергии. Здесь же указаны
ожидаемые тенденции перехода на новые типы электропередач (см.
гл. 4).
Действительный рост напряжений линий электропередач, как
показано на рисунке, происходит ступенями. Там же приведена
сглаженная кривая, отражающая основную тенденцию роста нап-
ряжений. Предполагается, что повышение напряжения воздушных
ЛЭП будет происходить до ограниченных пределов (существует по-
толок) . Сглаженная кривая роста напряжений имеет примерно та-
кую же конфигурацию, как и кривая выработки электроэнергии.
Это естественно, так как по мере увеличения выработки электро-
энергии появляется необходимость в повышении пропускной спо-
собности линий электропередач и увеличении их дальности, что и
достигается увеличением напряжения.
Возвращаясь к конструкции современных воздушных линий,
можно заметить, что при выполнении их, как правило, применяют-
ся сталеалюминиевые провода, состоящие из центральной стальной
проволоки и повивов (вокруг нее) алюминиевых проволок. Сталь-
ной провод повышает механическую прочность линии, а алюминие-
вые проволоки обеспечивают хорошую электрическую проводи-
мость. Выполнение проводов многопроволочными улучшает их меха-
ническую гибкость и уменьшает проявление поверхностного эффек-
та по сравнению с одиночными проводами эквивалентного сечения.
239
Линия передачи с промежуточными и анкерными опорами пока-
зана на рис. 5.32. Промежуточные опоры легче, а следовательно,
и дешевле анкерных; применение промежуточных опор позволяет
выполнять линии наиболее экономично. Однако чрезмерно большое
количество промежуточных опор снижает надежность линии, так
Рис. 5.32. Общий вид воздушной линии электропередачи
как при повреждениях, например обрывах проводов, будут выхо-
дить из строя большие участки линий. Анкерные опоры ограничи-
вают размеры повреждений.
Провода на линиях могут располагаться различным образом
(рис. 5.33). При подвеске шести рабочих проводов опоры называ-
ются двухцепными. Кроме рабочих проводов, предназначенных для
передачи электроэнергйи, на опорах подвешивают грозозащитные
тросы.
Рис. 5.33. Расположение проводов на опорах:
а — треугольником; б — горизонтальное; в — обратной елкой; г —
бочкой
При отключении линий электропередач между контактами воз-
никает мощная электрическая дуга, для гашения которой исполь-
зуются специальные устройства. Процесс отключения линий дол-
жен проходить как можно быстрее, чтобы обеспечить высокую на-
дежность электрических систем, например при ликвидации ава-
рий. Современные высоковольтные выключатели способны отклю-
чать линии за 0,12—0,15 с. В будущем предполагаете^ повысить
240
mijf
быстродействие выключа-
телей. На рис. 5.34 пока-
зан общий вид высоко-
вольтных воздушных вы-
ключателей.
В кабельных линиях
изолированные друг от
друга провода заключе-
ны в защитные оболочки.
Обычно кабельные линии
прокладывают в земле
непосредственно или в
специальных кабельных
каналах. В настоящее
время преобладают воз-
душные линии переменно-
го тока, хотя наблюдает-
ся тенденция к более ши-
рокому применению ка-
бельных линий.
Рис. 5.34. Высоковольтные воздушные выклю-
чатели
§ 5.7. Передача энергии на расстояние
Необходимость сооружения ЛЭП объясняется выработкой элект-
роэнергии в основном на крупных электростанциях, удаленных от
потребителей — относительно мелких приемников, распределенных
на обширных территориях.
Электростанции размещаются с учетом совокупного влияния
большого числа факторов: наличия энергоресурсов, их видов и
запасов; возможности транспортировки; перспектив потребления
энергии в том или ином районе и т. п. Передача электрической
энергии на расстояние дает ряд преимуществ, позволяя:
— применять отдаленные источники энергии;
— уменьшать суммарную резервную мощность генераторов;
— использовать расхождение времени в разных географических
широтах, при котором не совпадают максимумы расположенных в
них нагрузок;
— более полно использовать мощности ГЭС;
— увеличивать надежность электроснабжения потребителей и
т. д.
ЛЭП, предназначенные для распределения электроэнергии
между отдельными потребителями в некотором районе и для свя-
зи энергосистем, могут выполняться как на большие, так и на ма-
лые расстояния и предназначаться для передачи мощностей раз-
личных величин. Для дальних передач большое значение имеет
пропускная способность, т. е. та наибольшая мощность,
которую можно передавать по ЛЭП с учетом всех ограничивающих
факторов.
ЛЭП относятся к категории ответственных сооружений, надеж-
ная работа которых обеспечивается применением различных коМ-
241
пенсирующих устройств и установок автоматического регулиро-
вания и управления.
Для воздушных ЛЭП переменного тока можно приближенно
считать, что та максимальная мощность, которую они могут пере-
дать, примерно пропорциональна квадрату напряжения и обратно
пропорциональна длине передачи. Стоимость сооружения также
очень грубо можно принять пропорциональной величине напряже-
ния. Поэтому в развитии передач электрической энергии на рас-
стояние наблюдается тенденция к увеличению напряжения как к
главному средству повышения пропускной способности. Со време-
ни создания первых ЛЭП напряжение повышалось в 1,5—2 раза
примерно каждые 10—15 лет. Рост напряжения давал возможность
увеличивать протяженности ЛЭП и передаваемые мощности. Так,
в 20-е годы нашего столетия электроэнергия передавалась на мак-
симальные расстояния порядка 100 км, к 30-м годам эти рассто-
яния увеличились до 400 км, а в 60-е годы длина ЛЭП достигла
1000—1200 км (например, электропередача Волгоград — Москва).
Планируется сооружение еще более мощных и дальних ЛЭП (на
расстояния порядка нескольких тысяч километров), что потребу-
ет повышения напряжения до 1000—1200 кВ ЛЭП переменного то-
ка и до 750—1200 кВ ЛЭП постоянного тока.
Повышение пропускной способности ЛЭП достигается в основ-
ном за счет увеличения напряжения, однако существенное значе-
ние имеет также изменение конструкции ЛЭП, введение различных
дополнительных компенсирующих устройств, при которых влияние
параметров, ограничивающих передаваемую мощность, оказывает-
ся уменьшенным. Например, на ЛЭП напряжением 330 кВ и выше
расщепляют провода в каждой фазе на несколько электрически
связанных между собой проводников, при этом существенно улуч-
шаются параметры линий (уменьшается ее реактивное сопротив-
ление) ; применяют так называемую последовательную компенса-
цию — включение в линию конденсаторов и т. д.
Возможности дальнейшего повышения предельных мощностей
требуют увеличения напряжений и изменения конструкции ЛЭП.
Они связаны с общим техническим прогрессом, в частности с ус-
пехами в полупроводниковой технике, с созданием совершенных
материалов, с разработками новых видов передачи энергии.
При сооружении ЛЭП постоянного тока, имеющих большие пре-
дельные мощности, необходимо осуществлять прямое преобразова-
ние переменного тока в постоянный в начале линии и обратное пре-
образование постоянного тока в переменный в конце линии, что
вызывает определенные трудности технического и экономическо-
го характера.
В последнее время большое внимание уделяется созданию но-
вых ЛЭП с полностью измененной конструкцией, более компакт-
ных и в то же время с большой пропускной способностью. Так,
«закрытые» ЛЭП выполняются в виде замкнутых конструкций, за-
полненных электроизолирующим газом, с расположенными внут-
ри ЛЭП высокого напряжения (порядка 500 кВ). Оцедтпые «зак-
242
рытые» ЛЭП имеют пока худшие экономические йойазатели Йб
сравнению с обычными открытыми передачами.
Существует принципиальная возможность беспроводной ЛЭП с
помощью электромагнитных волн или высокочастотных колеба-
ний, направляемых по волноводам. Однако практическая реализа-
ция этих ЛЭП ^промышленности в настоящее время неприемлема
из-за низкой их эффективности.
Для передачи электрической энергии могут использоваться
сверхпроводящие линии, в которых значительно может быть по-
нижено напряжение. Эффект, близкий к сверхпроводимости, до-
стигается глубоким охлаждением проводников. В этом случае ЛЭП
называют криогенными. Этот вопрос имеет историю. Еще в 1911 г.
голландский физик Г. Камерлинг-Оннес установил, что при охлаж-
дении ртути до температуры ниже 4 К ее электрическое сопротив-
ление исчезает вовсе. Оно скачком возникает вновь при повышении
температуры сверх критического значения. Это явление назвали
сверхпроводимостью. Разумеется, что если бы такие материалы по-
лучили энергетики, то они заменили бы ими обычные проводники,
ЛЭП доставляли бы без потерь энергию в громадных количествах
на сверхдальние расстояния. Удалось бы заметно повысить к. п. д.
мощных энергоемких устройств (электромагнитов, трансформато-
ров, электромашин), избежать многих трудностей, связанных с пе-
регревом, расплавлением, разрушением деталей.
Все это, однако, оставалось не более чем мечтами, хотя в са-
мом явлении сомневаться не приходилось. Сверхпроводников было
обнаружено немало. В периодической системе ими оказались 28
элементов. Но самая высокая критическая температура, принад-
лежащая ниобию, не превышала 10 К. Возможности сверхпроводи-
мости, таким образом, резко ограничивали дороговизна и сложно-
сть установок, поддерживающих сверхнизкие температуры. Спла-
вы молибдена с технецием продвинули критическую температуру
до 14 К. Далее удалось получить соединение ниобия, алюминия
и германия с критической температурой 21 К. Для нескольких со-
тен сверхпроводящих веществ, известных сегодня, это рекордная
цифра.
Практические исследования показали, что с ростом критичес-
кой температуры число сверхпроводников резко убывает. Некото-
рые специалисты даже полагали, что вырваться из плена сверх-
низких температур не удастся. Где-то около 25 К лежит наивыс-
шая возможная критическая температура.
После экспериментального открытия сверхпроводимости физи-
ки-теоретики долго пытались постичь суть непонятного явления.
И только спустя полвека, в 1957 г., появилась первая серьезная
теория сверхпроводимости. За ней последовали другие. Они нес-
ли в себе много необычного. Так, например, согласно созданной те-
ории, электроны сверхпроводника вопреки известному закону Ку-
лона, предписывающему всем одноименно заряженным частицам
взаимно отталкиваться, наоборот, притягиваются, объединяются
в пары. Было отмечено, что сверхпроводниками могут быть не толь-
243
ко металлы, сплавы, но и... органические вещества. Одним из са-
мых существенных выводов теории был следующий. Металличес-
кий водород в силу своих исключительных особенностей — в узлах
кристаллической решетки расположены легкие протоны — может
обладать сверхпроводимостью при сравнительно высоких, вполне
приемлемых для практических целей температурах порядка 220 К
или —53° С. И еще: возможно, что процесс перевода вещества из
молекулярной фазы в атомарную необратим. При снятии внешнего
давления водород, быть может, еще долгое время не потеряет свой-
ств сверхпроводника.
£ Теперь стало ясно: чтобы обладать материалом, проявляющим
в обычных условиях свойства сверхпроводимости, нужно освоить
область давлений порядка не-
Рис. 5.35. Характеристики различных
способов передачи энергии на рас-
стояние:
3 — расчетные затраты, I — расстояние;
1 — двухколейная железная дорога, 2 — га-
зопроводы, 3 — нефтепроводы, 4 — электро-
передача от станций, работающих на деше-
вом угле
скольких сотен килопаскаль.
Величины эти, по нашим чело-
веческим масштабам, гранди-
озны. Они сравнимы разве что
с давлениями в центре Земли
(там около 300 кПа). Перед
исследователями открылась
дорога, ведущая к цели, хотя
даже в лабораторном экспери-
менте пока не удалось полу-
чать такого рода давлений и,
разумеется, твердого водоро-
да— сверхпроводника при нор-
мальной температуре.
Альтернативой передачи на
расстояние электрической
энергии переменным и посто-
янным токами от ТЭС к потре-
бителям служит перевозка топлива. Сравнительный ана-
лиз возможных вариантов энергоснабжения потребителей по-
казывает, что уголь высокой калорийности (более 4000 ккал/кг)
обычно целесообразно перевозить по железной дороге (при усло-
вии существования ее). Во многих случаях при использовании на
электростанции природного газа и нефти оказывается предпочти-
тельней передача их по трубопроводам (рис. 5.35). При выборе
способа передачи энергии на расстояние необходимо учитывать
большой комплекс вопросов, таких, как усиление электрической
системы при сооружении электропередачи, электроснабжение по-
требителей, расположенных вблизи линий, увеличение загрузки же-
лезных дорог и т. д.
Анализируя развитие энергосистем в ряде стран, можно выде-
лить две основные тенденции:
1) приближение электрических станций к центрам потребления
в тех случаях, когда на территории, охватываемой дбъедииенной
энергосистемой, пет дешевых источников энергии или когда источ-
ники уже использованы;
244
2) сооружение электростанций вблизи дешевых источников энер-
гии и передача электроэнергии к центрам се потребления.
Электропередачи, нефтепроводы и газопроводы образуют Еди-
ную систему энергоснабжения страны. Системы электро-, нефте- и
газоснабжающие должны конструироваться, сооружаться и эксп-
луатироваться в определенной координации между собой, образуя
Единую энергетическую систему.
Исторически одними из первых практических работ по передаче электрической
энергии на расстояние, подтвердивших принцип обратимости электрической
и других видов энергии, были работы, выполненные в 1873 г. французским инж.
Фонтеном. В его установке постоянный ток от генератора передавался на рас-
стояние 1 км к электродвигателю центробежного насоса. В 1875 г. русский изо-
бретатель Ф. А. Пироцкий проводил опыты по передаче электрической энергии на
расстояние примерно 1 км по рельсам железной дороги. Опытные ЛЭП были соз-
даны приблизительно в те же годы в Англии и Америке. Первая ЛЭП, рассчи-
танная на длительную эксплуатацию, была построена для электрического осве-
щения в 1876 г. П. Н. Яблочковым. Русский электротехник Д. А. Лачинов н фран-
цузский ученый М. Депре в 1880 г. теоретически обосновали возможность пере-
дачи энергии на большие расстояния н указали на необходимость повышения
напряжения при увеличении мощности и дальности передачи. М. Депре в 1882 г.
построил опытную ЛЭП напряжением 1,5—2 кВ Мисбах — Мюнхен протяженно-
стью 57 км. Важнейшим этапом в развитии техники передачи энергии на расстоя-
ние был переход от постоянного тока к переменному, который в значительной
мере связан с работами П. Н. Яблочкова. В конце 80-х годов появились первые
ЛЭП электрической энергии на расстояние, предназначенные для приведения
в действие различных механических установок. В 1906 г. во Франции была введе-
на в эксплуатацию ЛЭП Мутье—Лион длиной 180 км, которая работала при
напряжении 57 кВ и предназначалась для снабжения электроэнергией осветитель-
ной и трамвайной сетей. Широкое использование электрической энергии в про-
мышленности началось только после создания экономически выгодного и относи-
тельно простого способа передачи электрической энергии. Этому способствовали
работы М. О. Доливо-Добровольского по применению трехфазного переменного
тока и усовершенствованию трансформаторов.
В СССР широкое строительство ЛЭП было начато в связи с выполнением
плана ГОЭЛРО. В 1922 г. была построена первая ЛЭП напряжением 110 кВ от
Каширской ГРЭС до Москвы. По мере повышения напряжения ЛЭП и увеличе-
ния их протяженности происходило объединение отдельных энергетических си-
стем. В 1926 г. ЛЭП ПО кВ были соединены Шатурская и Каширская ГРЭС, что
послужило началом создания Московской районной энергосистемы. Создание
в СССР более крупных энергетических объединений Центра, Юга и Урала стало
возможным после освоения в 1933 г. напряжения 220 кВ. Новый этап в развитии
техники передачи электрической энергии на расстояние наступил после сооруже-
ния в Советском Союзе первых в мире ЛЭП напряжением 500 кВ. Электропере-
дачи Волжская ГЭС нм. Ленина — Москва напряжением 400 кВ, переведенная
впоследствии на напряжение 500 кВ, и Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС —
Москва объединили энергетические системы Центра, Средней и Нижней Волги н
Урала. В 1967 г. в нашей стране впервые в Европе была введена в эксплуатацию
опытно-промышленная электропередача напряжением 750 кВ Конаковская
ГРЭС — Москва. Пропускная способность ее 1250 МВт.
Наряду с развитием электропередачи переменного тока ведутся работы по
созданию и совершенствованию электропередачи постоянного тока. В 1950 г.
в СССР была введена в действие опытная кабельная линия постоянного тока
Каширская ГРЭС — Москва напряжением 200 кВ с пропускной способностью
30 МВт. Накопленный опыт эксплуатации этой линии позволил в 1962—1965 гг.
ввести в эксплуатацию межсистемную воздушную ЛЭП постоянного тока напря-
жением 800 кВ Волгоград — Донбасс с пропускной способностью 750 МВт.
К 1975 г. в разных странах работало более 20 ЛЭП постоянного тока.
В СССР намечается строительство ЛЭП постоянного тока напряжением
±750 кВ и протяженностью 2500—3000 км, а в дальнейшем — передачи
245
±1200 кВ. Развитие передач постоянного й йеременйого тока Позволит обесйечйть
в 1976—1985 гг. централизованным энергоснабжением практически всю обжитую
часть территории СССР. /
\ / § 5.8. Преимущества объединения энергетических систем .
’ На первой стадии развития электроэнергетика представляла со-
бой совокупность отдельных электростанций, каждая из которых
через собственную сеть передавала электроэнергию к потребите-
лям, не связанным между собой. В дальнейшем стали создаваться
энергетические системы, в которых электрические станции соединя-
лись электрическими сетями и включались на параллельную рабо-
ту. Отдельные энергетические системы в свою очередь также объе-
динялись, образуя более крупные энергетические системы. Тенден-
ция к образованию по возможности наиболее крупных энергетиче-
ских объединений проявляется практически во всех странах.
• В настоящее время создана Единая энергетическая система ев-
ропейской части СССР. В ближайшее время с помощью мощных
линий электропередач предполагается установить связи с объеди-
ненными системами Сибири и Средней Азии и тем самым заложить
основы ЕЭС СССР. ЕЭС европейской части СССР соединена ли-
ниями электропередачи с объединенной энергосистемой социали-
стических стран. Это энергетическое объединение, получившее наз-
вание «Мир» (с диспетчерским центром в Праге), имеет связи и с
системами западноевропейских капиталистических стран (Италия,
Австрия). Энергосистемы всех стран Западной Европы, включая
Англию и Скандинавские страны, связаны между собой линиями
электропередач. Электростанции США также соединены линиями
электропередач со станциями Канады и Мексики.
Общее стремление к объединению энергетических систем вызва-
но огромными преимуществами крупных систем по сравнению с от-
дельными станциями.
. Создание объединенных энергетических систем позволяет:
\/ 1. Уменьшить суммарную установленную мощность электростан-
ций.
Большая совокупность потребителей электрической энергии ха-
рактеризуется графиком нагрузки P=f(f) (рис. 5.36). Максимум
Рис. 5.36. Примерный вид графика на-
грузки потребителей электроэнергии
суммарной нагрузки Рт энерго-
системы меньше, чем сумма мак-
симумов нагрузок отдельных по-
требителей. Это объясняется не-
совпадением отдельных макси-
мумов из-за различных условий
работы потребителей. В энерге-
тических системах, охватывающих
обширные географические райо-
ны, несовпадение» максимумов
вызвано расположением нагрузок
в различных часовых поясах. На-
246
пример, объединение по-
требителей, размещенных
в европейской и сибир-
ской частях страны, по-
зволит получить более
равномерный суммарный
график нагрузки по срав-
нению с графиком нагру-
зок отдельных потреби-
телей (рис. 5.37). Уста-
новленная мощность элек-
тростанций в системе
' должна быть достаточной
Рис. 5.37. Эффект совмещения графиков нагру-
зок потребителей, расположенных в разных ча-
совых поясах:
1,2-— графики нагрузок отдельных подсистем, 3 —
график нагрузки объединенной системы
для покрытия максималь-
ных нагрузок потребите-
лей. Кроме того, исходя
из требований, предъяв-
ляемых к надежности работы систем, должна быть предусмотре-
на резервная мощность генераторов. При параллельной работе
электрических станций резервная мощность может быть уменьше-
на. Покажем это на простом примере.
Пусть две электростанции, каждая из которых имеет по четы-
ре агрегата, работают изолированно. Тогда одна станция может
вырабатывать электрическую энергию, используя 3/i установленной
мощности, так как один агрегат должен находиться в резерве. При
соединении двух электростанций общей сетью может быть исполь-
зовано 7/в установленной мощности. В первом случае необходи-
мая резервная мощность составляет 25%, а во втором случае она
может быть в два раза меньше— 12,5%.
\^2. Более полно использовать гидроэнергетические ресурсы.
Расход воды в реке колеблется в больших пределах. Для на-
дежного снабжения электроэнергией потребителей мощность ГЭС
(при изолированной ее работе) нужно выбирать исходя из обес-
печенного расхода воды, который приходится принимать доста-
точно малым. В случае больших расходов часть воды пришлось бы
сбрасывать мимо турбин.
Рассмотрим преимущества объединения ТЭС с ГЭС на простом
примере. Пусть мощности каждой станции равны по 100 МВт. Каж-
дая станция вырабатывает энергию для своего района, причем стан-
ции работают изолированно. Мощности нагрузок в каждом районе
равны по 100 МВт. Потребности в электроэнергии за сутки у пот-
ребителей каждого района по 1600 МВт-ч. Далее предположим,
что по расходу воды ГЭС за сутки может выработать только 1200
МВт-ч. Следовательно, дефицит электроэнергии в районе с ГЭС
составит 400 МВт-ч. ТЭС за сутки может выработать 2400 МВт-ч,
т. е. в районе с ТЭС могут быть дополнительно использованы 800
МВт-ч. При объединении на параллельную работу ТЭС и ГЭС
можно, заставив ТЭС вырабатывать 2000 МВт-ч электроэнергии,
-полностью удовлетворить спрос всех потребителей. ГЭС более
247
пригодны для покрытия пиковой части графиков суммарной на-
грузки энергосистем (рис. 5. 38).
\У 3. Повысить экономичность выработки электроэнергии.
Вследствие неравномерности графиков нагрузок изолирован-
ные станции должны работать в течение некоторого времени с не-
догрузкой, т. е. в неэкономичном режиме. В энергосистемах при про-
валах нагрузки часть станций может быть отключена, а для остав-
шихся можно обеспечить наиболее экономичные режимы работы.
Кроме того, различные станции имеют неодинаковые экономические
показатели выработки электроэнергии. Поэтому с возрастанием на-
грузки в системе стремятся в первую очередь увеличить выработку
электроэнергии на станциях с лучшими экономическими показате-
лями.
Рис. 5.38. Целесообразный Рис. 5.39. Влияние мощно-
режим работы ТЭС и ГЭС сти агрегата на удельную
стоимость выработки элек-
I троэнергии
4. Увеличить единичные мощности агрегатов.
С возрастанием мощностей агрегатов Pi улучшаются их техни-
ческие характеристики и снижается удельная стоимость с выработ-
ки электроэнергии (рис. 5. 39).
V 5. Повысить надежность электроснабжения потребителей.
Отдельные элементы энергетической системы (генераторы, тран-
сформаторы, ЛЭП и т. д.) в результате аварий могут выходить из
строя. В этих случаях часть потребителей может потерять питание.
В схеме, показанной на рис. 5.40, при возникновении трехфазного
короткого замыкания на линии электропередачи полностью прек-
ращается подача электроэнергии потребителям. Надежность энерге-
тической системы оценивается вероятностными показателями, так
как отказы оборудования появляются под действием случайных
факторов. С одной стороны, повышение надежности электроснабже-
ния сопровождается увеличением стоимости систем, с другой сторо-
ны, недостаточная надежность приводит к ущербам от недоотпуска
электроэнергии потребителям. Поэтому целесообразные показатели
надежности электрических систем должны устанавливаться с учетом
этих факторов. Применение устройств редей пой за-
щиты и автоматики является эффективным средством повы-
248
шения надежности. Релейной защитой называется система устрой-
ств, которые производят отключение поврежденных элементов или
частей систем и локализацию аварий. К числу автоматических уст-
ройств относятся устройства автоматического повторного
включения (АПВ) и автоматического ввода резер-
Рис. 5.41. Схема повышения надежно-
сти энергоснабжения с помощью
АПВ линии
Рис. 5.40. Схема прекращения подачи
электроэнергии потребителям при
трехфазном коротком замыкании
в а (АВР). Устройства АПВ предназначены для ликвидации «пере-
ходящих» повреждений, например коротких замыканий. При появ-
лении дугового короткого замыкания (рис. 5.41) устройством АПВ
создается бестоковая пауза, в течение которой дуга гаснет и восста-
навливаются диэлектрические свойства воздушного промежутка.
Затем вновь автоматически включается на-
Рис. 5.42. Схема
повышения надеж-
ности энергоснаб-
жения потребите-
лей с помощью
АВР
пряжение на ЛЭП, которая может продолжать
успешную работу. Принцип работы АВР мож-
но пояснить рис. 5.42. При повреждении одно-
го из трансформаторов автоматически произ-
водится его отключение, а оставшиеся без
электроэнергии потребители автоматически
подключаются к исправному трансформатору.
6. Повысить качество электроэнергии.
К показателям качества относятся величи-
на напряжения, форма кривой напряжения
и тока, симметрия векторов напряжений трех-
фазной системы, частота.
Рис. 5.43. Схема уменьше-
ния напряжения у потреби-
телей из-за потери в линии
Напряжени е вдоль нагруженной ЛЭП меняется из-за по-
терь в сопротивлениях. В простейшем случае напряжение в конце
ЛЭП постоянного тока (рис. 5.43) связано с напряжением в начале
простой зависимостью:
; и2=и^ — 1г,
249
Рис. 5.44. Искажение формы
кривой напряжения (тока)
Рис. 5.45. Нарушение сим-
метрии напряжений (токов)
в трехфазиой системе
где Ui, U2 — напряжения в начале и конце линии; I — ток, протека-
ющий по линии; г — сопротивление линии.
Форма кривой напряжения (тока) должна быть сину-
соидальной (рис. 5.44). Искажение формы означает ухудшение ка-
чества электроэнергии.
В трехфазной системе векторы напряжений (токов)
должны быть симметричны, т. е. равны по величине и сдвину-
ты относительно друг друга на 120° (рис. 5.45).
Существуют различные способы улучшения качества электро-
энергии. Так, улучшение напряжения у потребителей может быть
достигнуто регулированием величины э. д. с. синхронного генерато-
ра (рис. 5.46). Изменяя с помощью автоматического регуля-
тора ток в обмотке возбуждения, можно получать различные вели-
чины э. д. с. генератора, так как при этом будут различны значе-
ния индукции магнитного поля, пронизывающего обмотки статора.
Величину напряжения можно регулировать и непосредственно у
потребителей, изменяя (при изменении нагрузки) коэффициент
трансформации трансформаторов (рис. 5.47).
Рис. 5.46. Схема регулирования
напряжения генератора изменени-
ем тока возбуждения
Рис. 5.47. Схема регулирования на-
пряжения изменение^ коэффициента
трансформации трансформатора
250
Каждый потребитель электроэнергии
рассчитывается для работы при опреде-
ленном номинальном напряже-
н и и. При отклонениях напряжения, под-
водимого к потребителю, от номинально-
го показатели его работы изменяются —
ухудшаются. Так, например, при сниже-
нии напряжения падает производитель-
ность электрических печей и удлиняется
время плавки; у асинхронных двигателей
уменьшается вращающий момент, падает
скорость и снижается производительность
Рис. 5.48. Схема регули-
рования частоты перемен-
механизмов; при снижении напряжения ного тока
на 10% световой поток ламп накалива-
ния уменьшается на 30%, а при повышении на ту же величину
срок службы ламп укорачивается в 3 раза.
Отклонение частоты в основном приводит к ухудшению
работы потребителей. Особенно чувствительны к изменениям ча-
стоты рабочие механизмы с вентиляторным моментом, так как их
производительность пропорциональна квадрату частоты. Частота
тока и напряжения в электрической системе определяется частотой
вращения ротора генератора, а следовательно, и турбины. При уве-
личении нагрузки системы частота уменьшается и вновь увеличи-
вается до нормальной регуляторами частоты. Регулятор
частоты воздействует на изменение величины вращающего момента
первичного двигателя — турбины, меняя впуск энергоносителя в
турбину (рис. 5.48).
§ 5.9. Управление электроэнергетическими системами
Управление электроэнергетическими системами наиболее про-
сто осуществляется автоматическими регуляторами и устройства-
ми противоаварийной автоматики. В последнее время для управле-
ния стали применять цифровые машины. Настройка автоматичес-
ких систем управления производится методами синтеза в соответ-
ствии с заранее выбранными характеристиками таким образом, что-
бы обеспечить экономичность работы системы и высокие показате-
ли качества отпускаемой потребителям электроэнергии.
Выбор видов используемых автоматических устройств, оценка
их эффективности и влияния на надежность работы энергосистем
производится на основе оптимизационных расчетов.
Управление режимами электроэнергетических систем должно
быть оптимальным, т. е. дающим наилучший технико-экономи-
ческий эффект в условиях действия ряда противоположных тен-
денций. Например, желая увеличить передаваемую по линии мощ-
ность, можно вызвать аварийное отключение этой линии из-за на-
рушения устойчивости. Одна тенденция состоит в положительном
эффекте, получаемом при увеличении передаваемой мощности, дру-
гая—в отрицательных последствиях, вызванных понижением на-
251
Дежности и Возможностью полного прекращения передачи элект-
роэнергии по линии, причем вероятность прекращения передачи воз-
растает с увеличением передаваемой мощности.
Для электроэнергетической системы как объекта управления
характерно наличие большого количества сложных прямых и об-
ратных связей между многочисленными ее элементами и целевая
направленность процесса функционирования.
Электроэнергетические системы относятся к категории больших
систем кибернетического типа. Управление этими системами долж-
но строиться с учетом сложных взаимосвязей энергетики с други-
ми отраслями народного хозяйства, биосферой и социальными фак-
торами.
В системе управления электроэнергетикой важное значение име-
ют электронные цифровые вычислительные машины ЦВМ. Роль
их по мере технического развития энергетических систем возраста-
ет. При этом функции человека становятся более ответственными
и творческими.
Наряду с управлением режимами электроэнергетических сис-
тем осуществляется управление их развитием — рациональным ис-
пользованием расположенных на обширной территории видов энер-
горесурсов, выбором сочетания развития во времени и размещения
по территории различных типов электростанций, внедрением но-
вых источников электроэнергии и т. д.
Рассмотрим некоторые характерные свойства объектов управ-
ления— электроэнергетических систем. Электроэнергетические си-
стемы относятся к сложным системам, содержащим большое чис-
ло взаимосвязанных элементов. Этим системам свойственна не-
прерывность процесса производства и потребления электроэнергии.
Большинство предприятий имеют склады готовой продукции.
Обычно стремятся избегать накопления больших запасов продук-
ции, чтобы не тормозить движение оборотных средств. Однако для
обеспечения надежного непрерывного производства часть готовой
продукции хранят на складах на случаи непредвиденных перебо-
ев. Так, например, газоснабжающие системы имеют большие резер-
вуары— газгольдеры, где хранится газ. При непредвиденных ко-
лебаниях в потреблении газа происходит либо заполнение газ-
гольдеров, либо отбор газа из них в зависимости от того, происхо-
дит уменьшение или увеличение в потреблении.
В электроэнергетических системах вся получаемая электричес-
кая энергия немедленно потребляется. Непредвиденные колебания
электрической нагрузки компенсируются за счет изменения кине-
тической энергии вращения ротора генератора. Если нагрузка уве-
личится, то мощность вырабатываемой электроэнергии генератора
возрастет. При этом ротор притормозится и его кинетическая энер-
гия уменьшится. Снижение нагрузки приведет к увеличению кине-
тической энергии ротора генератора.
Ротор генератора находится на одном валу с турбиной. Умень-
шение скорости вращения турбины приведет в действие автомати-
ческие устройства, которые увеличат подачу пара или воды в тур-
252
бину, с тем чтобы сохранить неизменной скорость вращения ро-
тора генератора. Это, в свою очередь, вызовет уменьшение давле-
ния в паропроводах и парогенераторах ТЭС и приведет в действие
систему автоматического регулирования режима работы парогене-
раторов. В результате подачи воды, топлива, воздуха, необходимо-
го для горения и увеличения тяги, возрастут.
Таким образом, электрическая станция хотя и не располагает
запасами готовой продукции — электрической энергии, однако име-
ет запасы энергии на промежуточных стадиях преобразования хи-
мической энергии топлива в электрическую: механической энергии
вращения турбины и генератора, а также внутренней энергии пара.
В энергетической системе, как и во всякой сложной системе,
имеются такие глубокие внутренние связи, которые не позволяют
расчленять ее, изучать влияющие факторы по одному. Сложная
электроэнергетическая система в целом обладает новыми качест-
вами, не свойственными отдельным ее элементам. Так, наличие в
системе большого числа асинхронных двигателей, соизмеримых по
мощности с питающими их генераторами, приводит к появлению
качественно новых свойств, присущих комплексной нагрузке, но не
проявляющихся у отдельного двигателя. Генераторы, преобразова-
тели, сеть и двигатели нагрузки представляют собой единую си-
стему, свойства которой качественно отличны от свойств отдельных
ее элементов.
Энергетической системе свойственна динамичность. Она прояв-
ляется в быстрых реакциях на любые изменения состояния систе-
мы. Появление возмущений в системе обусловлено многими причи-
нами: случайными атмосферными воздействиями, короткими за-
мыканиями, изменениями нагрузки, отключением отдельных эле-
ментов (линий, трансформаторов, генераторов) и т. д. Под влия-
нием больших и малых возмущений происходит непрерывное изме-
нение состояния системы. Колеблются напряжение и частота, ме-
няются потоки мощности по соединительным линиям, и т. д.
Современнные энергетические системы обладают высокой сте-
пенью организованности благодаря насыщенности автоматическими
управляющими элементами. В результате работы устройств управ-
ления происходит упорядочение системы, приведение ее к большей
организованности. Процесс взаимодействия управляющей и уп-
равляемой систем состоит из нескольких последовательных этапов:
1) получение данных о состоянии управляемой системы, т. е.
информации о ее режиме;
2) передача этой информации в управляющую систему;
3) переработка информации управляющей системой с целью вы-
дачи управляющего сигнала (команды управления). Выработка ко-
манды управления происходит в соответствии с законом управле-
ния — алгоритмом. Алгоритм управления определяет направление
воздействия на систему для приведения ее в требуемое состояние;
4) передача команды управления к исполнительному органу и
выполнение ее, после чего — обратная передача информации о вы-
полнении команды в управляющую систему.
- 253
Общие закономерности управления составляют предмет кибер-
нетики как науки. Она изучает их, отвлекаясь от конкретной физи-
„ ческой природы исследуемых систем и конкретного содержания
'! процесса управления.\дибер«етшса энергетических систем рассмат-
^7 ривает принципы управления автоматизированной энергетической
системой. /
Функций переработки информации об объекте и выдачи управ-
ляющего сигнала в различных технических системах в настоящее
время в основном выполняются человеком — дежурным инженером,
Управляемая система
диспетчером. Так, дежурный инже-
нер ТЭС, находясь в помещении
главного щита управления, выпол-
няет функции,связанные с оператив-
ным управлением работой станции.
Он получает задание от диспетчера
энергосистемы, проверяет соответст-
вие рабочего режима станции этому
заданию, оценивает величину от-
клонения режима от заданного и
отдает распоряжения об изменении
нагрузки агрегатов, включает или
отключает потребителей. Кроме то-
го, он контролирует по приборам
режим работы элементов электриче-
ского оборудования станции — ге-
нераторов, трансформаторов, сбор-
ных шин. При аварии дежурный ин-
женер станции должен найти пути
и средства восстановления нормаль-
ного режима, произвести требуемые
переключения в схеме электрических
соединений станции.
Рис. 5.49. Пример простейшей
замкнутой системы управления и
обратной связи, осуществляемой
человеком
Функции дежурного инженера электрической станции весьма
многообразны и сложны. Они требуют от него большого опыта, от-
личных знаний и умения быстро ориентироваться в непредвиден-
ных ситуациях. Однако и этих качеств недостаточно при управле-
нии сложными установками. Например, на мощной ТЭС физических
способностей самого способного человека не хватит для того, что-
бы переработать огромный поток информации, которую дают по-
казания приборов, и быстро принять оперативное решение. Очень
опытный оператор может в течение секунды одновременно воспри-
нять и полноценно переработать информацию только от трех (мак-
симум четырех) приборов. Между тем при аварийных режимах в
энергосистеме часто требуется выдать управляющий сигнал не бо-
лее чем через 0,05 с. Человека здесь выручают автоматические уст-
ройства, обладающие при переработке информации значительно
большим, чем он сам, быстродействием.
^Автоматическое управление процессами в электроэнергетичес-
кой системе в основном осуществляется по замкнутой схеме, име-
254
юЩей обратные связи/Простейшим схематическим примером обрат-
ной связи, осуществляемой человеком, может служить регулирова-
ние возбуждения и одновременное наблюдение за показаниями
вольтметра, измеряющего напряжение генератора (рис. 5.49). Ре-
гулирование производится воздействием на ползунок реостата в це-
пи возбуждения генератора с целью ликвидации расхождения ме-
жду фактическим и желаемым значениями напряжения.
При автоматическом управлении в функции человека входит
задание пределов изменения параметров, в соответствии с кото-
рыми происходит работа управляющей систе-
мы. В процессе эксплуатации режим работы
системы меняют таким образом, чтобы он по
возможности оставался оптимальным. В связи
с этим возникла задача создания таких систем
управления, которые бы сами выбирали опти-
мальный режим и перестраивали процесс уп-
равления в каждый момент времени на наивы-
годнейшие условия работы. Такие системы
называются самонастраивающимися. Они дол-
жны осуществлять изменение алгоритма уп-
равления в процессе функционирования систе-
мы. Если оптимальное значение параметра,
которое должно быть найдено самонастраи-
вающейся системой, зависит от многих факто-
ров, то его поиск может продолжаться слиш-
ком долго. Появляется задача повышения опе-
ративности самонастраивающихся систем.
Здесь возможно использование «памяти», ко-
Рис. 5.50. Стадии пе-
рехода к кибернети-
ческому управлению
энергосистемой:
ОУ — объект управления
(энергосистема), О — опе-
ратор, М —управляющая
машина, —► — потоки ин-
формации, — управля-
ющие сигналы
торая исключает необходимость начинать
каждый раз сначала поиск оптимального ре-
жима. Если ситуация повторяется, то система,
запомнившая ее ранее, сразу же устанавли-
вает нужный режим. При новых ситуациях
устройство совершает пробные ходы и пытает-
ся найти наилучший режим работы. Устано-
вив этот режим, система его запоминает. Та-
кие управляющие системы называют самообу-
чающимися, поскольку они могут накапливать
опыт работы и ис-
пользовать его для самосовершенствования.
В кибернетическом управляющем устройстве главную роль иг-
рает быстродействующая вычислительная машина, способная зна-
чительно быстрее и в большем объеме, чем человек, обрабатывать
информацию и запоминать ее. Но это не означает, что человек бу-
дет исключен из процесса управления. Взаимоотношения опера-
тора и вычислительной машины будут развиваться постепенно. Пе-
редача управляющих функций человека машине будет происходить
в несколько этапов (рис. 5.50). На этапе 1 машина будет консуль-
тантом— советчиком оператора, при этом она будет решать те за-
дачи, которые необходимы оператору для управления электричес-
255
кой станцией или Системой. Этап II наступит тогда, когда большая
часть информации будет вводиться в машину автоматически, без
участия человека. Однако управлять системой при этом будет по-
прежнему человек, использующий результаты расчетов машины.
На этапе Ill часть функций по управлению уже будет возложена на
вычислительную машину. На этапе IV при переходе к стадии ки-
бернетического управления машина будет полностью получать и
перерабатывать всю информацию и на ее основе осуществлять уп-
равление системой. В обязанности человека войдет разработка прог-
рамм и заданий машине, наблюдение за исправностью ее работы.
Рис. 5.51. Структурная схема управления энергетикой
Управление энергетикой в нашей стране осуществляет-
ся Министерством энергетики СССР, в непосредственном подчине-
нии которого находятся проектные и научно-исследовательские ин-
ституты, центральное диспетчерское управление ЕЭС, министер-
ства и главные управления республик и строительно-монтажные
тресты (рис. 5.51).
Управление строится по иерархическому принципу. Нижний
уровень иерархии — районное энергетическое управление, ведаю-
щее электростанциями, электрическими и тепловыми сетями, осу-
ществляющее их строительство и эксплуатацию и располагающее
соответствующими отделами и службами.
Выделение различных уровней и распределение между ними
функций позволяет повысить оперативность и эффективность уп-
равления. Вышестоящие уровни избавлены от необходимости ре-
шать множество вопросов, которые можно успешно рассматривать
в нижних уровнях. *
256
Характерная особенность современного Этапа управления сос-
тоит во внедрении автоматизированных систем управления, осна-
щенных быстродействующими электронными вычислительными
машинами. Такие системы осуществляют сбор и обработку необхо-
димой исходной информации, поступающей в вычислительные
машины, где в соответствии с заложенными программами произво-
дятся расчеты и получается управляющая информация. Эта управ-
ляющая информация либо предварительно анализируется персона-
лом и затем используется, либо непосредственно используется в
качестве управляющих воздействий.
Рис. 5.52. Диспетчерский пункт управления энергосистемой
Структура управления энергетикой имеет три ос-
новные линии: оперативное управление режимами,
строительство и административно-хозяйствен-
ные дела. Например, линия оперативного управления, при рас-
смотрении ее сверху вниз, определяется так: Минэнерго СССР —
ЦДУ ЕЭС, непосредственно воздействующее на работу крупных
электростанций, объединенных диспетчерских управлений район-
ных энергосистем. Заключительная ступень оперативного управле-
ния системой — диспетчерские службы.
На рис. 5.52 показан центральный диспетчерский пункт энерго-
системы, с которого осуществляется оперативное управление.
Пункт оборудован наглядной мнемонической схемой.
257
.JHL
Глава 6
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПОСТАНОВКИ И ОБРАБОТКИ
РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
§ 6.1. Задачи исследований электроэнергетических систем
Изучение свойств реальных систем, прогнозирование, проекти-
рование будущих больших систем энергетики, разработка новых
устройств управления системами и решение разнообразных задач
текущей эксплуатации — все это требует широкого проведения
экспериментальных исследований. Эти исследования
могут являться опытами «в натуре» — в действительной работаю-
щей системе, когда инженер хочет «попробовать и посмотреть, а
что будет, если»... если, скажем, уменьшится напряжение на под-
станции, питающей заводы или какой-то крупный район города;
если уменьшится частота в системе и т. д. Разумеется, этот воп-
рос «а что будет, если»... инженер ставит не из любопытства, а
из желания знать, как будет вести себя система в ненормальных
условиях —условиях, которые могут появиться во время эксплуата-
ции и которые надо иметь в виду при проектировании будущей си-
стемы.
В этой постановке задачи исследования сложных систем не-
обходимо иметь в виду два кардинальных обстоятельства:
1. При рассмотрении сложных объектов не всегда представля-
ется возможным непосредственное проведение на них эксперимен-
тов. Например, разрабатывая новые системы управления элемен-
тами электрических систем, нецелесообразно проводить
эксперименты сразу же в самих системах из-за возможных больших
аварий, которые могут привести к значительным народнохозяйст-
венным ущербам. Выходом из таких положений может стать
использование моделей, которые находятся в некотором
сходстве (необходимом для данного эксперимента) с оригинальным
объектом.
2. Не всякие результаты экспериментального исследования да-
ют действительно полезный результат, действительно ведут к це-
ли. Для того чтобы по результатам экспериментов можно было
делать надежные выводы относительно свойств изучаемых объек-
тов, необходимо уметь их правильно поставить и обработать, т. е.
придать им удобную для последующего использования форму, в
которой бы исключались влияния ошибок и случайных факторов,
могущих исказить полученные результаты и ввести исследователя
в заблуждение. Здесь в понятие исследования вкладывается
258
весьма широкий смысл. Это может быть исследование чисто экспе-
риментальное, заключающееся в постановке серии опытов на уже
действующем объекте — «на натуре» — или на его модели. Это мо-
жет быть и чисто аналитическое исследование, при котором экспе-
риментатор меняет параметры изучаемого объекта и для мысленно
создаваемых различных условий проводит серии расчетных иссле-
дований. Эти расчеты могут проводиться различно — на логариф-
мической линейке, арифмометре или современной быстродейству-
ющей цифровой машине, — суть дела от этого не меняется. Для
того чтобы результаты исследования представляли собой ценность,
должна быть продумана и постановка их, и обработка. Сказанное
относится и к так называемым проектным исследованиям, когда
для какого-либо ответственного сооружения делается не один, а
много (4—5) проектов, сравниваемых между собой так, чтобы по
определенным показателям выбрать наилучший.
Во всех рассматриваемых исследованиях говорят о моделях,
вкладывая в это слово очень широкий смысл, который часто пони-
мается настолько широко, что само понятие теряет свое содержа-
ние. Смысл же этот можно усвоить из следующего общего опреде-
ления.
Модель в общем понимании — это то, что на определенном эта-
пе познавательной деятельности заменяет изучаемый объект. Про-
цесс создания моделей, или моделирование, состоит в любом вос-
произведении объективных закономерностей, свойст-
венных предметам окружающего нас материального мира.
Моделирование может рассматриваться в двух основных
аспектах:
1) как познавательный процесс, когда поступающая информа-
ция об окружающем мире творчески перерабатывается в сознании
человека; при этом создаются образы, отражающие объектив-
ные свойства материального мира. Эти образы могут иметь
любую форму словесных формулировок, математических записей,
зарисовок любого типа — все это будут познавательные модели;
2) как процесс создания неких материальных объектов — моде-
лей, находящихся в некотором, необходимом для данной конкрет-
ной задачи, соответствии с изучаемым объектом, или, как его на-
зывают, с оригиналом.
Существует большое разнообразие моделей, среди которых мо-
гут быть выделены основные:
1. Физические модели, сохраняющие полностью (или в
основном, наиболее существенном) природу явления в оригинале.
На физических моделях процессы протекают в измененных количе-
ственных соотношениях. В простейших моделях пересчет характе-
ристик процессов с модельных на оригинальные объекты произво-
дится простым умножением показателей модели на масштабные
коэффициенты. Например, модель электрического генератора боль-
шой мощности может быть выполнена в виде электрического
генератора во много раз мспыпеп мощности, но такого (этого надо
добиться специальной конструкцией), в котором интересующие
259
исследователя процессы протекают подобно процессам в натур-
ном — «настоящем» — генераторе.
Аналоговые модели (иногда их называют м а т е м а т и-
ческие модели), построенные на основе некоторого нефизиче-
ского сходства — аналогии, обычно в технике — на основе совпаде-
ния (формального) математических уравнений, описывающих
процессы в оригинале и в моделирующем объекте. В общем случае
физическая природа явлений в модели отличается от природы
явлений в оригинале; совпадают только уравнения (и то не обяза-
тельно для всего явления, может быть, только для некоторых
процессов) *. Примером математической модели может служить
электрическая схема, процессы в которой моделируют механические
колебания маятника, в силу того что процессы в электрической и
механической системах описываются одинаковыми дифференциаль- g
ными уравнениями.
К частному случаю математической модели относится схема
замещения. Например, ЛЭП представляют схемой, содержащей
индуктивности, емкости и сопротивления. Кибернетическая
модель, воспроизводящая функциональную зависимость между «
параметрами, характеризующими внешние воздействия на систе-
му, и параметрами, определяющими реакцию системы на эти внеш-
ние воздействия, также является математической моделью. При по-
строении такой модели явно не учитывается структура системы, фи-
зические свойства ее элементов, а принимается во внимание толь-
ко зависимость «входных» внешних возмущений от «выходных» ре,- j
акций системы. В этой зависимости и находят своеобразное отраже- ?
ние различные свойства системы. Количественное соответствие
между процессами, протекающими в натуре (объектах-оригиналах)
и в их моделях, устанавливается отвлеченными числами, называ-
емыми масштабами. Количественные характеристики, показываю-
щие наличие подобия между явлениями, называются критериями
подобия. *
Критерии подобия — это, следовательно, некие комбинации без-
размерных величин, составленных, с одной стороны, из парамет-
ров оригинала, ас другой стороны, из параметров модели. Ра-
венство этих критериев подобия обеспечивает подобие изучаемых
процессов, происходящих в различных объектах. Чтобы ответить
на вопрос, подобны ли явления, нужно найти критерии подобия и /
посмотреть, равны ли они или нельзя ли их каким-либо путем сде-
лать равными друг другу.
Используя методы теории подобия (критерии подобия, в част-
ности), можно в обобщенной форме выражать характеристики це-
лых совокупностей процессов, т. е. распространять данные
.---------- i
* Необходимо уточнить, что как в данной книге, так и во всех других книгах
научной школы электрических систем МЭИ четко различаются: явления — не-
которые объективно существующие в мире изменения (физические, социальные,
экономические, психические и т. д.) и их отдельные составляющие процессы,
протекающие в общем случае во времени и в пространстве и в каждом явлении
имеющиеся в бесконечно большом количестве. *
*.5?*
260
единичного опыта (или расчета) на класс явле-
ний.
Ранее были рассмотрены роль моделей в исследованиях и необ-
ходимость обрабатывать результаты исследований в критери-
альной форме. Но в поставленной (в заголовке данного пара-
графа) задаче есть еще вопрос — как ставить эксперимент, чтобы
скорее прийти к желаемой цели? Например, как по наименьшему
количеству опытов найти экстремальное (наибольшее или наимень-
шее) значение какой-либо зависимости? На этот вопрос ответ дает
теория эксперимента.
Данные, полученные в результате исследований, неизбежно со-
держат какие-то погрешности. Это и неточности создания самой
познавательной модели, и неточности математического описания, и
погрешности подсчетов, а если в исследовании делались записи с ка-
ких-то приборов, то и ошибки приборов и ошибки отсчетов, сделан-
ные наблюдателем. Необходимо применить теорию обработки
данных и с ее помощью получить наиболее вероятные,
наиболее близко приближающиеся к истинным результаты. Пере-
численные в настоящем параграфе задачи входят в научные дис-
циплины — теорию подобия, теорию моделирования,
теорию эксперимента, теорию обработки данных
наблюдений. Подробное изучение их даже во всем вузовском
курсе не представляется возможным. Тем более невозможно такое
изучение в настоящем учебном пособии, которое является введе-
нием в специальность; об этих важных и интересных задачах могут
быть сообщены только некоторые сведения.
§ 6.2. Моделирование и подобие
Моделирование как метод исследования известно уже очень
давно, со времен Леонардо да Винчи и Галилея. Несмотря на это,
оно находит все новые применения; более многообразными стано-
вятся его формы; метод непрерывно обновляется. Приемы модели-
рования используются и в экспериментальных исследованиях, и в
теоретических разработках, и в конкретном техническом проекти-
ровании, и в построении абстрактных логических схем, и в других
задачах. Поэтому, как было указано ранее, затруднительно дать
исчерпывающее единое определение моделей, справедливое для
всех случаев и всех отраслей знаний. В общем случае модель была
определена как некий промежуточный объект (например, явление,
процесс, система, установка, некоторое знаковое изображение), на-
ходящийся в отношении подобия к исследуемому объекту (на-
туре). Но если так, то необходимо кратко определить, что такое
подобие. Простейший, хорошо известный вид подобия — геомет-
рическое: например, равномерной деформацией одну фигуру мож-
но превратить в другую, подобную (так, у подобных треугольников
стороны пропорциональны, а углы равны). Более сложно подобие
процессов, протекающих во времени и в пространстве. Здесь уже в
подобных точках пространства сходственные величины, характери-
261
зующие процессы в модели и оригинале (например, скорость,
токи, ускорения и т. д.), должны быть пропорциональны.
При определении в § 6.1 понятия моделирования было подчерк-
нуто, что следует различать два его аспекта. Первый — общий ме-
тод научного исследования, полезный при решении самых общих
философских и общенаучных проблем; второй — конкретный метод
решения научно-технических задач. Приемы анализа и аппарат ре-
шений здесь различны, но сущность метода одинакова.
Бесспорно, что в современном глубоком синтезе наук большую
роль играет математика, поэтому значение аналитических методов
в общей системе научных исследований и открытий возрастает. Од-
нако и значение всех видов экспериментов, проведению которых
содействуют модели, вовсе не уменьшается. Ученые все более про-
никаются пониманием того, что даже самая абстрактная теория
обобщает практический опыт и что конечный критерий любой тео-
рии— практика, т. е. в том или ином виде специально поставлен-
ный эксперимент. Быстрое и плодотворное, действительно целена-
правленное развитие научных дисциплин и их разделов возможно
только в том случае, если одновременно с анализом будут прово-
диться эксперименты.
Упрощенно связывая понятие модели и моделирования только
с непосредственной (визуальной) наглядностью и отмечая ненаг-
лядность современных сложных физических теорий, иногда счита-
ют закономерным отказ от методов моделирования. Но суть в том,
что понятие наглядности, так же как и само понятие модели, из-
меняется и развивается. Так, если в XIX в. наглядность связыва-
лась только с механическими представлениями и Кельвин говорил,
что он не может понять ни одно явление, пока не представит себе
его механической модели, то теперь механические явления зача-
стую объясняются через электрические, а модели приобретают са-
мые разнообразные формы.
Роль моделирования и лежащей в его основе теории подобия
с точки зрения познания заключается в той помощи, которую они
оказывают при вскрытии связей качественных и количественных
сторон в явлениях одинаковой физической природы. Однако уста-
новление подобия между разнородными по физической сущности
явлениями также возможно. В природе вследствие ее материально-
го единства имеются некоторые общие соотношения и простейшие
формы. Это позволяет делать широкие обобщения, отвлекаясь в
процессе познания от деталей происходящих явлений. Именно обоб-
щение данных современного естествознания — одна из актуальных
задач диалектического материализма; отсюда становится ясна ми-
ровоззренческая роль теории подобия.
Любое явление в природе есть совокупность изменений той или
иной материальной системы. Каждое из таких изменений представ-
ляет собой определенный процесс, в ходе которого меняются вели-
чины, характеризующие состояние системы (параметры состояния'
или параметры режима). Процессы могут быть подобны, если меж-
ду ними будет существовать соответствие, определяемое критерия-
262
ми подобия. В простейшем случае критерии подобия — безразмер-
ные комплексы параметров самих процессов и той системы, в ко-
торой они протекают. Основное положение теории подобия гласит,
что процессы, в которых критерии подобия равны, подобны.
Существенная особенность критериев подобия — их безразмер-
ность; физические характеристики, входящие в выражение любо-
го критерия, таковы, что все размерности сокращаются, поэтому
величина критерия — число отвлеченное и, таким образом, сохра-
няющее одно и то же значение в любой системе единиц.
Покажем, как находится простейший критерий подобия, опре-
деляющий подобие движения одной (/) системы материальных тел
(оригинала) другой (2) системе (модели), имеющей иные размеры.
Предположим, что в расположении тел имеется геометрическое по-
добие /1//2—... = Zx//y=idem=m/; здесь «idem» означает соответст-
венно одинаково в модели и оригинале, mi — масштаб. Предложим,
что системы подобны динамически, т. е. массы М, силы F, скорости
v и ускорения а находятся в следующих соотношениях:
Af1/Af2=/nAf; FJF^m^ ;
Движение в этих системах может рассматриваться в разном
масштабе времени:
Каково же должно быть соотношение между параметрами и их
масштабами, чтобы условия подобия, постулированные ранее, соб-
людались? Чтобы получить его, запишем для системы 1 основной
закон динамики: Fl=Mlal. Предположив, что все записанные выше
соотношения соблюдаются, представим А через параметры систе-
мы 2. Учитывая, что a—d2lldt2=\llt\t2= I//2, получим
mi /2 tn,, tn,
F1=M1a,1 = mMM2——=—^—^-M2 -^-=mFF2.
1 11 м 2 mftl m2t 2 t22 2
Поскольку M2l2/tl=M2a2=F2, то следовательно,
Это значит, что между масштабами должны быть следующие со-
отношения:
mMmi (М1/М2) G1/Z2) . Mxlx М2 l2 Ml .,
—-—- =-------------=1 или -------= -----=-----=udem.
mFml (fi/fa) (ФФ ZVi Fz ij
Это последнее соотношение для подобных явлений одинаково,
т. е. оно является критерием подобия (критерий этот установлен
еще Ньютоном и носит его имя).
Для многих физических явлений установление критериев подо-
бия оказалось не только полезно, но и исключительно важно, так
как их описание производится с помощью критериев подобия,
или, иначе, в критериальной форме. Названия критериев подобия
263
увековечивают имена их первооткрывателей. Таков, например, при-
веденный выше критерий Ньютона, относящийся к механике. В гид-
равлике широко применяется критерий Рейнольдса, в теплотехни-
ке— Нуссельта и Прандтля, а в аэродинамике знаменитое число
«М» есть не что иное, как критерий подобия, носящий имя Маха.
Критерии подобия процесса могут быть довольно легко найде-
ны, если известно их математическое описание или известна хотя
бы та совокупность параметров, которой в данной задаче и в дан-
ных условиях можно характеризовать изучаемое явление. Однако
история дает нам немало примеров, когда создатели моделей не
Рис. 6.1. Развитие методов моделирования
знали критериев подобия и не пользовались ими. Именно так об-
стояло дело на заре моделирования в технике. Подобная ситуация,
в частности, наблюдается и ныне в тех областях науки (биология,
медицина), где по тем или иным причинам математика еще в до-
статочной мере не пришла на помощь ученым, а количественные
оценки явлений только еще начинают проникать в методологию ис-
следований.
Не пытаясь излагать здесь историю теории подобия и моделирования, заме-
тим, что их становление связано с развитием математического описания явлений
в различных отраслях науки. Таким образом, теория эксперимента, которая, по
существу, включает в себя методы подобия и моделирования, развивалась и раз-
вивается в тесной связи с математизацией соответствующих наук. Если говорить
о физических и технических дисциплинах, то проникновение в них методов теории
подобия и моделирования можно условно охарактеризовать кривой А, приведен-
ной на рис. 6.1. Начало этой кривой отражает работы, связанные с именами Лео-
нардо да Винчи и Галилея. Хотя в этом начальном периоде Ньютоном, Фурье и
Бертраном уже были заложены основы современной теории подобия, однако
развитие моделирования вплоть до середины XIX в. шло довольно медленно.
264
! И лишь позднее в связи с развитием физических наук и техники стали разви-
: ваться многочисленные практические применения моделирования.
Так, крупный русский ученый В. Л. Кирпичев стал широко применять в ар-
тиллерийском, строительном деле и в различных технических задачах методы
подобия. Интересная модель была создана более ста лет тому назад русским
инженером-строителем железнодорожных мостов Д. И. Журавским. Он разрабо-
тал способ определения сил, сжимающих или растягивающих каждый стержень
фермы моста, и показал, что их нагрузки неодинаковы. Соорудив модель из ме-
таллической проволоки, Д. И. Журавский продемонстрировал на ней распределе-
ние нагрузок. Опыт на сравнительно примитивной модели с полной убедительно'-
стью подтвердил математическую теорию и дал материал для дальнейших иссле-
дований.
Почти сто лет тому назад английские ученые-кораблестроители У. Фруд и
В. Рид создали теорию моделирования кораблей, развитую далее в нашей стране
акад. А. Н. Крыловым.
Моделирование не сразу получило признание. Поучительным примером может
служить история гибели броненосца «Кэптен», построенного в 1870 г. в Англии.
Исследования В. Рида, проведенные на модели этого корабля, показали, что он
должен опрокинуться даже при небольшом волнении. Адмиралтейству сообщили,
что отправлять «Кэптен» в море невозможно. Но заявление ученого, обоснован-
ное опытом с какой-то «игрушечной моделью», не было даже серьезно рассмотре-
но. При выходе в море «Кэптен» перевернулся и 523 моряка погибли.
Можно было бы привести много примеров недоверия к методам моделирова-
ния и даже противодействия их внедрению. Однако они все же быстро нашли
широкое применение при конструировании мостов и кораблей, а затем и во мно-
гих других областях техники. Они стали широко использоваться и при изучении
работы различных технических агрегатов, например, котлов, турбин, установок
атомных станций — реакторов и насосов жидкого металла, вентиляционных
устройств и многих других. На моделях стали изучать течение водных потоков,
различные гидродинамические явления, происходящие при мощных взрывах,
и даже землетрясения.
Моделирование оказалось полезнейшим инструментом при изучении ядра
атома и ядерных превращений. Так, Нильс Бор, изучая механизм передачи энер-
гии в атоме, предложил модель в виде аналога между подогретой каплей и воз-
бужденным ядром атома. Оказалось, что можно мысленно сопоставить испарение
и радиоактивность. Ведь в ядре тоже есть силы, цементирующие между собой его
части. И прежде чем нейтрон, протон или альфа-частица вылетят наружу, они
должны преодолеть эти силы.
Стремясь к еще большей наглядности, Бор дополнил свою мысленную модель
вещественной. В чашеобразное углубление стола он поместил стальные шары.
Сами собой они не могли оттуда выкатиться. Но если послать в углубление еще
один шар, то все остальные начинали очень быстро двигаться в чаше, а иногда
один из них выкатывался наружу.
Модель, несмотря на ее простоту, помогла описать основные черты цепной
реакции.
В последнее время с развитием моделирования большое внимание уделяется
изучению сложных систем, например энергетических. Среди новых, ориентирован-
ных на такие задачи методов моделирования наибольшее значение имеют обоб-
щенное и кибернетическое моделирование, о которых будет сказано далее и кото-
рые, как это следует из кривой А (рис. 6.1), получают все большие и большие
практические приложения и большее математическое обоснование.
Направление, характеризуемое кривой В (рис. 6.1), прежде всего касается
моделирования сложных систем, как технических, так и (еще в большей мере)
биологических, где в конечном счете необходимо изучать сложные системы (есте-
ственные), теория которых до настоящего времени мало опиралась на математи-
ческий анализ.
Новый этап в развитии моделирования, условно показанный отрезком Ь'~Ь"
на кривой В, часто характеризуется пока еще прежними представлениями о моде-
ли как о чем-то, внешне похожем па оригинал или имеющем некоторые, схожие
в том пли ином отношении функции.
9 Зак. 1540 265
К сожалению, изучая сложные системы и особенно живую природу, с помо-
щью метода моделирования исследователь пока не всегда может найти доста-
точно надежные математические соотношения между параметрами и зафиксиро-
вать с их помощью те физические или физико-химические законы, которые управ-
ляют сложной системой. Однако не следует делать вывод, что в моделирование
сложных систем, в частности биологическое моделирование, нельзя ввести мате-
матическое обоснование изучаемых явлений. Напротив, моделирование должно
получить строгое обоснование на математической основе.
§ 6.3. Модели и приемы их создания
В современной науке и технике моделирование имеет весьма
разнообразные и, казалось бы, отвлеченные виды. Переходя от об-
щего описания моделей к практическому использованию их и к не-
которым оценкам, заметим, что все разнообразие видов моделиро-
вания может быть классифицировано примерно так, как это пока-
зано на рис. 6.2, некоторые положения которого рассмотрим более
полно.
Полное моделирование. Отражает подобие движения материи
в основных формах ес существования, т. е. во времени и простран-
стве. Процессы, соответствующие изучаемым явлениям, изменяют-
ся подобно и во времени, и в пространстве. Полное подобие и со-
ответственно полное моделирование математически характеризует-
ся соотношением параметров модели Xj и оригинала yf.
где mj — масштабный коэффициент; yj = q> (г/1;..., «//-ь У/+1,-.., ук,
lK, ly, t) — параметры системы или параметры ее режима
1х, 1ц, 1г — геометрические размеры; t—время.
Неполное (частичное, локальное) моделирование. Здесь проте-
кание в модели всех основных процессов, характеризующих изу-
чаемое явление, подобно частично — или только во времени, или
только в пространстве. В первом случае
У1=<р(У1, У1-1, У)+1, 0.
а во втором
..., У]— 1, Уу+и •••, Дх» 1г)'
Приближенное моделирование. Некоторые факторы, заведомо
влияющие, но не оказывающие решающего воздействия на иссле-
дуемый процесс, моделируются приближенно или совсем не модели-
руются. В связи с этим между некоторыми параметрами режимов
не существует соотношений подобия: или Xj^nijyj. Это
заведомо обусловливает погрешность, которую можно тем или
иным способом оценить количественно.
Все виды моделирования могут быть либо детерминирован-
ными, отражающими процессы с однозначно определенными при-
чинами и их следствиями, либо стохастическими, отражаю-
щими вероятностные события. В последнем случае модели не поз-
воляют определить ход отдельного события, но открывают возмоде-
Моделирование
Рис. 6.2. Различные виды моделирования.
267
йоСти для получения среднего результата маССы однородных слу-
чайных явлений.
Моделирование любого вида может проводиться как в реаль-
ном времени /2, так и в измененном против реального
времени t\.
Напомним, что подобие и моделирование реализуются при обыч-
ном подходе (в некоторых работах его называют «классическим»),
когда каждому параметру системы п происходящему в ней процес-
су отвечает другой соответственный параметр в подобной системе.
Возможен и другой подход, при котором нет необходимости всег-
да отыскивать явное соответствие «по параметрам», понимая под
подобием некие схожие результаты в виде каких-то, в том или ином
смысле одинаковых, функций, соответственных реакций, схожего
взаимодействия объекта с окружающей средой и т. д.
Подобие, а соответственно и модели, разделяют на мыслен-
н ы е, отвечающие любым видам мысленных экспериментов, и м а-
териальные, предусматривающие ту или иную конструктивную
реализацию модели. Материальное моделирование оперирует с
моделями разнообразного исполнения и разбивается на три боль-
шие группы.
Натурное моделирование. Такое моделирование представляет
собой специально поставленные исследования «на натуре», т. е.
в природе при специально созданных или подобранных условиях.
Но обязательным для такого, как и любого другого, моделирова-
ния является требование обработки результатов экспериментов с
помощью теории подобия (применение критериальной обработки).
Группы натурного моделирования условно делятся на под-
группы:
производственный эксперимент, т. е. эксперимент
во время производственного процесса на действующем предприя-
тии;
обработка сведений о явлениях или отдель-
ных процессах, естественно происходящих в натуре (напри-
мер, натурное геологическое моделирование при прогнозе динамики
изменения берегов рек, морей, водохранилищ. Для малоизученных
участков побережья используются данные об участках других бере-
гов, исследованных в течение длительного времени и физически по-
добных изучаемым);
обобщение производственного о п ы т а. Оно, в сущ-
ности, мало отличается от производственного эксперимента и моде-
лирования, основанного на обобщении натурных данных, но вместо
специально организованного в производственных условиях экспе-
римента пользуются имеющимся материалом, обогащая его с по-
мощью теории подобия.
Физическое моделирование. Исследования проводятся на спе-
циальных установках, сохраняющих в основном природу явлений,
но воспроизводящих их количественно иначе. При физическом мо-
делировании меняются геометрические размеры, силы, моменты,
мощности и т. п. Физической моделью считается установка, в ко-
Торой осуществлено Полное ИЛИ неполное моделирование и соот-
ветственно подобие. При этом по характеристикам модели можно
получать все существенные для данной задачи характеристики ори-
гинала простым умножением па масштабные коэффициенты. Фи-
зическое моделирование может быть трех видов:
временное, когда исследуются только процессы, протекающее
во времени, например изменения тока при каких-либо переходных
процессах, угла сдвига оси генератора переменного тока при кача-
ниях и др. Такое неполное моделирование имеет место в физических
(или электродинамических) моделях энергосистем;
полное пространственно-временное модели-
рование. Пример — изучение нестационарных течений рек, мо-
рей, каналов на гидравлических моделях водных потоков;
пространственное (геометрическое), когда проте-
кание явлений не воспроизводится. Модели здесь служат только для
наглядного изображения тех или иных сооружений, конструкций,
установок и их взаимного расположения (различные макеты — зас-
тройки района, города, памятника; компоновки — оборудования в
цехах станций, завода при проектировании). Такое моделирование
называют еще объемным проектированием.
Аналоговое моделирование (или математическое). Это модели-
рование отличается тем, что физика исследуемого процесса не сох-
раняется, его изучение ведется на моделях другой физической при-
роды. Моделирование здесь не преследует в какой-либо мере полу-
чение физического сходства и основывается на изоморфизме урав-
нений, т. е. их способности описывать различные по своей приро-
де явления и определять различные функциональные связи, исполь-
зуя изофункционализм уравнений (способность описывать отдель-
ные стороны поведения системы при отсутствии полного описания
всего ее поведения).
Аналоговое моделирование можно разделить на следующие
группы;
аналоговое, при котором используется непосредствен-
ная аналогия между физическими величинами, присущими од-
ному явлению, и аналогичными величинами, формально описыва-
емыми такими же уравнениями, присущими другому явлению;
структурное, когда весь процесс в целом не воспроизводит-
ся, а лишь отдельные элементы модели проводят математические
операции в определенной последовательности (благодаря соответ-
ствующему соединению элементов структурной схемы). Такое про-
ведение операций позволяет получить математическую модель
структурного типа;
цифровое, осуществляемое так же, как структурное, но эле-
менты, производящие математические операции, выполняются не
непрерывными, как в структурных моделях, а дискретными, как в
цифровых вычислительных машинах (ЦВМ). Цифровые модели от-
личаются от непрерывных большей точностью;
функциональное, включающее в качестве разновидностей
кибернетическое моделирование, эквивалентное и интегральное мо-
269
делирование. Осуществляется это моделирование на установках,
в которых комплекс моделируемых явлений не только не сохра-
няет физическую природу (как при физическом моделировании),
но может и не описываться формально одинаковыми математиче-
скими уравнениями. Здесь подобными считаются явления, которые
только в каком-то смысле, в отношении каких-то частных процес-
сов, отдельных сторон их или некоторых функций дают условно
подобный изофупкциональный результат.
Иногда вводят понятие обобщенного моделирования, обычно
принимая при этом, что происходящие явления описываются в терминах операций
(формул, экспериментов, наблюдений), связывающих физические величины. Лю-
бая система, принадлежащая определенному классу исследования, может быть
описана как в обычных первичных величинах (токах, напряжениях, мощностях,
скоростях, силах), так и в обобщенных безразмерных, представленных в виде
критериев подобия и однозначно отражающих ее состояние. Для получения сово-
купности обобщенного описания используются математически обоснованные спо-
собы, базирующиеся на анализе размерностей, исследовании уравнений или ка-
ких-либо иных разновидностях методов теории подобия. Как первичные, так и
вторичные величины представляют собой физические меры явлений. Однако у вто-
ричных величин, представленных как обобщенные безразмерные критерии подо-
бия, более общая, более высокая категория измерения.
Выражая степень развития некоторого качества, эти критериальные величины
представляют собой как бы диалектическое единство количества и качества, отра-
жают единство конкретного и абстрактного, частного и общего; поэтому крите-
риальные величины могут рассматриваться как «обобщенные меры явления». Для
них характерны устойчивость, способность к сохранению своей значимости в ши-
роком диапазоне изменения процесса.
Вопрос о том, в каких переменных — в первичных или вторичных—целесооб-
разнее обрабатывать результат опыта, может быть решен только для конкретной
задачи. Однако, как правило, при описаннн системы вторичными величинами
наблюдается упрощение уравнений, отражающих причинные связи. При этом раз-
ные способы обобщения первичной информации приводят к результатам разной
ценности, заранее трудно предугадываемым. Обычно чем меньше величин тре-
буется для описания объекта, тем более простыми оказываются модели и более
полезными практически конечные результаты.
§ 6.4. Примеры применения моделей
Приведенный далеко не полный перечень применений модели-
рования может дать некоторое представление о его многообразии.
В технике моделирование может быть как лабораторным,
так и натурным, когда не создается искусственной модели изу-
чаемого объекта — натуры, а для модели подыскивается — то же в
натуре —аналог. Например, по ранее изученному размыву бере-
гов реки или моря делаются выводы о том береге, размыв которо-
го не изучен, но где надо установить какое-либо сооружение. Од-
нако в большинстве случаев исследования, предваряющие строи-
тельство всех крупных гидроэнергетических объектов (плотин, ка-
налов, гидротурбин) и таких гидросооружений, как Волжская,
Братская и Асуанская ГЭС, проводятся на физических моделях,
изображающих в уменьшенном масштабе эти сооружения.
На моделях исследуются мощные электрические машины, маг-
нитные усилители, руднотермические печи, сложные комплексные
установки электроприводов, различные элементы сооружений стро-
270
ительной механики. Моделирование находит применение в таких,
казалось бы, малодоступных для экспериментов областях, как со-
вершенствование межконтинентальных и космических ракет, изу-
чение их аэродинамических свойств и других явлений, например
влияния ионизации воздуха на головную часть ракеты.
Широко распространены установки, сочетающие модели с натур-
ными приборами. Они применяются для наладки системы управ-
ления и тренировки персонала, управляющего различными сложны-
ми объектами. В первом случае их зачастую называют испытатель-
ными стендами, а во втором — тренажерами для обучения эксплуа-
тационного персонала (особенное значение, как известно, они име-
ют при подготовке различного эксплуатационного персонала
электростанций, летчиков, подводников, космонавтов).
Обычно в тренажерах используют приборы и органы управле-
ния, применяемые в практике. Воздействие, поступающее на эти
приборы, преобразуется в импульсы, моделирующие поведение уп-
равляемого объекта. Например, тренажеры для летчиков, уп-
равляющих вертолетами, воспроизводят у обучаемого все физиче-
ские ощущения, связанные с полетом. В качестве примера «опере-
жающего действия» моделирования можно привести следующий
факт. Когда опытные образцы первого пассажирского сверхзвуко-
вого самолета еще только создавались, будущие пилоты во главе
с заслуженным летчиком-испытателем Э. В. Еляном уже присту-
пили к тренировкам по управлению машиной.
Реализацию физического и математического моделирования
можно иллюстрировать очень большим количеством примеров. Так,
на моделях можно изучать различные явления природы, например
землетрясения. Их можно воспроизвести с помощью специальной
вибрационной платформы, имитирующей колебания земной поверх-
ности. Антисейсмические конструкции и детали различных соору-
жений (например, электростанций) могут проходить здесь всесто-
ронние испытания. Конечно, на модели можно представить явления,
связанные с выделением энергии при землетрясении, только в не-
большом масштабе. Однако не следует думать, что модель обяза-
тельно и^еет маленькие размеры. Ее площадь иногда достигает
20 м2, а вес изучаемой конструкции — 3 кН.
Моделирование помогает решать задачи, связанные с циркуля-
цией атмосферы на нашей планете. Например, создание за послед-
нее время большого количества новых водохранилищ для электро-
станций, искусственных озер и морей оказывает определенное
влияние па климат и погоду многих районов страны. Большая мас-
са воды со значительной тепловой инерцией (по сравнению с ок-
ружающей ее сушей) изменяет тепловой баланс и циркуляционные
характеристики района. И здесь моделирование позволяет опреде-
лить связь между объемом новых водохранилищ и их влиянием на
климат районов.
К задачам частного характера, однако очень актуальным, надо
отнести и исследования, связанные с влиянием промышленных
сооружений на биосферу. Развитие больших городов, строитель-
271
ство промышленных предприятий и крупных электростанций при-
водят к тому, что в атмосфере появляется значительное количест-
во пыли и дымовых частиц. Загрязнения атмосферы влияют на теп-
ловой режим районов, вблизи которых расположены эти сооруже-
ния. Известно, например, что около больших городов сдвигаются
сроки таяния льда и снега. Такие процессы, имеющие большое прак-
тическое значение, также можно и нужно изучать на моделях, со-
четая все виды физического моделирования, натурный эксперимент
и анализ с помощью вычислительных машин.
Моделирование очень удобно при изучении процессов электро-
магнитных излучений и распространения их над земной поверхно-
стью. При моделировании можно в широких пределах быстро и
легко менять геометрические и электрические свойства трассы и
обеспечивать точность, по крайней мере, не худшую, чем при экс-
периментах на местности.
В ряде случаев с помощью лабораторных моделей удается изу-
чить динамические явления, происходящие в море. Хотя значитель-
ное изменение масштаба может иногда искажать подобие процес-
сов (с чем неоднократно сталкивались исследователи), все-таки
качественное сходство основных явлений, связанных с формиро-
ванием волн и морских течений, и основные количественные харак-
теристики оказываются вполне удовлетворительными. Изучение
явлений, касающихся распространения приливных волн, с учетом
различных влияющих факторов (таких, как ветер, рельеф дна)
очень важно при создании приливных или волновых электростан-
ций.
Большое внимание уделяется изучению процессов переноса ней-
тронов в ядерных реакторах с помощью электрического моделиро-
вания. Исследуемый объект заменяется электрической моделью, в
которой распределение потенциала — такая же функция безразмер-
ных координат и времени, что и плотность нейтронов в натурном
реакторе. Критерии подобия явлений устанавливаются из сопостав-
ления уравнений, описывающих процессы в натуре и модели. Полу-
ченные результаты моделирования, например какого-либо одного
типа ядерных реакторов, легко распространяются на целую груп-
пу подобных реакторов.
«Световые» модели начали применяться для исследования лу-
чистого обмена энергией в поглощающих и излучающих средах.
Так изучают рабочие процессы в теплотехнических устройствах
(топках, печах), где значительную роль играет лучистый тепло-
обмен. При моделировании воспроизводятся световые потоки каж-
дой излучающей зоны в отдельности. Световая модель, геометри-
чески подобная натурной установке, обычно выполняется из плек-
сигласа или целлулоида. Моделирование опор электропередач, труб
электростанций и других сооружений, изучаемых в так называемых
аэродинамических трубах, где модель подвергается действию воз-
душного потока, позволяет изучать влияние ветровой нагрузки иа
крупные инженерные сооружения. В последнее время с„помощью
моделирования в аэродинамической трубе были проведены ипте-
272
рёсйЫё Исследования воздействия ураганов на лесные массивы.
Ежегодно бури наносят лесному хозяйству многих стран колоссаль-
ный, непоправимый ущерб. В лабораторных условиях был воспро-
изведен ураганный ветер, чтобы исследовать его действие на де-
ревья. Был создан целый «лес» искусственных деревьев-моделей.
Высота их не превышала 12 см, а крона из медной сетки имела
наибольший диаметр около 8 см. Затем этот лес был размещен на
платформе и установлен в аэродинамическую трубу, где скорость
Рис. 6.3. Подобие в электротехнике
воздушного Потока соответствовала урагану. Деревья были снаб-
жены датчиками, которые измеряли напряжение в их стволах. Вы-
яснилось, что лесные просеки, дороги и даже тропинки усиливают
разрушительное действие ветра. Перед посадкой леса необходимо
тщательно выбирать места для проведения дорог, тропинок и про-
сек, для расстановки опор линий электропередач.
В энергетике и электротехнике методы моделирования, основан-
ные на различных видах подобия (рис. 6.3), нашли особенно широ-
кое применение. Рост мощности энергетических систем с крупными
электростанциями и линиями передач на далекие расстояния —
свыше 1000 км (в ближайшие годы до 3000 км!), охват огромной
территории сетями самых различных напряжений — от 220В до
750 тыс. В, а также широкое использование автоматических уст-
273
ройств различных видов — все это Говорит о том, что энергетй*1ё-
скую систему необходимо рассматривать как сложную систему с
глубокими внутренними связями, как систему кибернетического ти-
па. Снять трудности, возникающие в связи со сложностью системы,
оказывается возможным, если происходящие явления рассматри-
вать как взаимодействие между отдельными функционирующими
подсистемами.
Построение модели системы в виде совокупности воздействую-
щих друг на друга подсистем предполагает следующие действия: оп-
ределение границ подсистем, представляемых блоками; установле-
ние характера связи между блоками и направления этих связей;
составление математического описания выявленных подсистем. При
этом принимается, что воздействие подсистем, граничащих с рас-
сматриваемой, представляется некоторыми параметрами режима на
границе подсистем и что данное воздействие не зависит от процессов
внутри подсистем, т. е. входные переменные не зависят от внутрен-
них переменных подсистемы.
Представление элементов подсистем моделируемой системы мо-
жет быть различным. Большое значение имеет тот факт, что одни
части систем воздействуют на другие некоторыми своими функция-
ми, проявляющимися на границах. В силу этого для правильного
отражения воздействий подсистем по отношению к остальной ча-
сти системы требуется лишь точное воспроизведение связей между
величинами на границах (т. е. между воздействиями и реакциями
подсистем); блок, представляющий подсистему, должен обеспечи-
вать правильную связь между входами и выходами. Такое соот-
ношение, когда имеется определенное подобие между входами и
выходами некоторых подсистем, а процессы внутри не рассмат-
риваются, определяется как изофункционализм, т. е. подобие ме-
жду функциями. Это и есть так называемое кибернетическое
моделирование.
Кибернетическое моделирование принципиально отличается от
физического и математического, в ходе которых воспроизводятся
процессы внутри изучаемой системы — оригинала. Пример кибер-
нетической модели, функции которой имеют лишь качественное
сходство с функциями оригинала, — известная электронная «мышь
Шеннона». Будучи помещена в лабиринт, она «хочет» найти «пи-
щу», при этом движется ощупью, наталкивается на разные перего-
родки до тех пор, пока не найдет дорогу к «кормушке». Воспроиз-
водимая в ней функция — по сути дела, свойство находить путь к за-
данной точке при определенных соотношениях, продиктованных ки-
бернетическим подобием. Разумеется, выводы о поведении настоя-
щей, живой мыши могут здесь носить лишь качественный характер,
однако они оказались весьма интересными для выявления важных
биологических закономерностей.
Изучение работы сложной системы невозможно без эксперимен-
тов, которые обеспечили бы проверку теории и методологии рас-
четов сложных процессов. Необходимо заметить, что на модели
опыт эксплуатации может быть получен в весьма сжатые сроки.
274
В самом деле, если та или иная ситуация, характерная для провер-
ки действия системы, в натуре наступает относительно редко (на-
пример, тяжелая авария), то на модели она может быть воспроиз-
ведена десятки раз в день.
Очень важно, что модель позволяет воспроизвести и действия
человека при аварии. Моделирование системы, таким образом,
включает и психологический фактор: персонал как бы входит в чис-
ло моделируемых элементов.
Особенно важно моделирование при разработке методов управ-
ления электрическими системами. Так, внедрение кибернетических
методов в управление энергетикой невозможно без предваритель-
ных исследований. Применение управляющих ЦВМ, сочетание
управляющих устройств с работой человека, поведение кибернети-
чески управляемой энергосистемы — все подлежит рассмотрению в
моделях.
Как ни велико значение ЦВМ, однако приходится решать тех-
нико-экономические задачи, выявлять экономически целесообраз-
ные величины и соотношения между отдельными проектируемыми
системами при неполной исходной информации. Здесь для реализа-
ции преимуществ ЦВМ большое значение приобретает так назы-
ваемое критериальное программирование, основы
которого заложены в методе подобия. При проектировании любой
технической системы нужно определить экономически целесообраз-
ные величины и соотношения между отдельными элементами. Ее
суммарные технико-экономические показатели должны находиться
в зоне допустимых отклонений от наивыгоднейших значений.
Трудность решений технико-экономических задач, с одной сто-
роны,— в большом количестве оптимизируемых параметров, а с
другой — в том, что численные значения исходных данных зачас-
тую могут быть определены лишь сугубо ориентировочно. Это осо-
бенно сильно сказывается при прогнозировании развития энерго-
систем на дальнюю перспективу. Поэтому решать задачу прихо-
дится многократно, варьируя исходными данными и используя слож-
ные математические методы. Исследователь сталкивается с необ-
ходимостью анализа огромного цифрового материала, в котором
крайне затруднительно выявить наиболее характерные связи, осо-
бенно при большом количестве переменных и сравнительно малой
достоверности исходной информации. К тому же повторные реше-
ния проводя/ся в полном объеме, информация от предыдущих рас-
четов практически не используется. Все это говорит о необходи-
мости разработки обобщающих методов решения технико-эконо-
мических задач.
В 1881 г. Кельвин, рассматривая задачу оптимизации электро-
передачи, показал, что сечение проводов линии следует выбирать
таким образом, чтобы зависящая от этого часть затрат на строи-
тельство была равна затратам на потери энергии в них. Соотноше-
ние между слагаемыми затрат для экономически целесообразных
вариантов в дальнейшем будем называть технико-экономической
соразмерностью или просто соразмерностью.
275
В начале текущего столетия М. Видмаром были сформулирова-
ны экономические законы проектирования электрических машин.
Характерная особенность законов экономической соразмерности со-
стоит в том, что они выведены на основе исследования ряда геомет-
рически подобных машин и сформулированы в обобщенной форме.
Кстати, понятие «соразмерности» в электроэнергетике впервые бы-
ло введено именно М. Видмаром.
Анализ, проводимый путем выявления соразмерности величин
(предложенный Кельвином и Видмаром), показывает, как опреде-
лить существование указанных закономерностей. Причина же суще-
ствования крайне полезных для решения технико-экономических
задач закономерностей оставалась до последнего времени неясной,
ее удалось объяснить только с позиций обобщающих методов тео-
рии подобия.
Все большую роль в научном обиходе исследований приобрета-
ют специализированные и универсальные математические модели,
использующие ЦВМ. Для моделей, составленных с помощью ЦВМ,
особенно машин так называемого третьего поколения, возможности
которых расширены специальными устройствами (периферически-
ми), характерна работа при диалоге «человек — машина — чело-
век». В связи с ростом возможностей ЦВМ значение такого диало-
га все более возрастает.
С совершенствованием ЦВМ математическое моделирование по-
лучает мощный инструмент. Появилась возможность решать мно-
гие недоступные ранее задачи. Однако, чтобы найти ответы на пос-
тавленные вопросы, требуется не одно, а целая цепочка промежу-
точных решений. Пути неоднозначны, цели можно достигнуть толь-
ко просматривая разные решения, и одних математических методов
здесь явно недостаточно. Неизбежность интуитивного элемента в
таких сложных ситуациях, как, например, глобальное планирование
в масштабах отрасли или государства, планирование военных и по-
литических акций, систем социальных мероприятий, говорит о том,
что одной помощи мощных ЦВМ мало.
Вот почему вместе с математическими и экономико-математи-
ческими стали развиваться и эвристические методы, цель
которых—использование опыта и таланта человека. Объединив
возможности, скрытые в человеческом интеллекте, со способностью
ЦВМ быстро выполнять логические и арифметические операции,
можно получить так называемую имитационную математи-
ческую модель. Эти модели, или системы, подробнее о ко-
торых мы скажем ниже,— совокупность математических моделей,
имитирующих изучаемый (или планируемый) экономический, произ-
водственный или какой-либо другой процесс, и группы экспертов,
участвующих в планировании, плюс специальное математическое
обеспечение, которое позволяет экспертам вести диалог с машиной
и между собой.
Математическая цифровая модель выдает информацию челове-
ку не в виде таблиц или лент с записями рядов цифр, а в удобном,
достаточно наглядном виде, например в виде графиков, объемных
276
представлений или каком-либо другом. Обратная связь осуществ-
ляется очень просто и наглядно — с помощью светового пера, что
позволяет непрерывно корректировать вводимую в ЦВМ информа-
цию. При исследовании какого-либо процесса достаточно только
нарисовать новый график, и система отображения сразу же пока-
жет те изменения, которые произойдут в связи с изменением ис-
ходной информации.
Область применения математически формализованных моделей
все время расширяется: экономика, биология, медицина, истори-
ческие и другие общественные науки. Иными словами, моделиро-
вание охватывает самые разнообразные процессы. Однако оказа-
лось, что, как правило, описание такого рода процессов незамкну-
то, в моделях присутствуют «свободные параметры» или функции,
которые не определены. Другими словами, такие незамкнутые про-
цессы как бы управляемы «извне». Можно считать, что свободные
параметры находятся в распоряжении исследователя и могут быть
выбраны по его желанию.
Такая неопределенность выбора свободных параметров создает
дополнительные трудности. Естественно, что незамкнутые модели
общественных процессов намного сложнее замкнутых, которые
можно полностью представить математическими методами. В прак-
тике научных и технических исследований появляются (и в послед-
нее время приобретают большое значение) модели, объединяющие
формальные математические методы и дающие алгоритм решения
с неформальным анализом — вмешательством человека, его пред-
положениями, желаниями («поведенческая» часть модели). Пример
моделей такого рода — оптимизационные модели, пред-
назначенные для отыскания решения, которое было бы наилучшим
в смысле того или иного показателя, или, как говорят, критерия.
Самый простейший случай оптимизационных моделей — модель
транспортных перевозок: требуется составить такой план, чтобы
затраты на перевозки заданного продукта в указанные пункты бы-
ли минимальны. В задаче о перевозках присутствует элемент зада-
ния извне, модель имеет поведенческую часть, заключающуюся в
том, что «мы хотим» выполнить перевозки дешевле.
Аналогичная, но более сложная в математическом отношении,
задача возникает при так называемой оптимизации режима элект-
рической системы. В электрической системе имеется определенное
количество видбв станций: тепловых, работающих на различном
топливе (имеют разную стоимость), атомных, гидравлических и т. д.
Стоимость выработки энергии на каждой станции различна. Кро-
ме того, станция должна снабдить энергией потребителей на ка-
ком-то, часто весьма значительном, расстоянии. Возникает вопрос:
как распределить выработку энергии на станциях, чтобы обеспечить
всех потребителей энергией при наименьших расходах по системе
в целом на ее выработку и передачу? Задача очень сложная, ее ма-
тематическая модель сводится к построению так называемой целе-
" вой функции. Затем методами математического моделирования на-
до найти минимум целевой функции. Обычно это минимум суммар-
277
ной стоимости выработки и передачи энергии в систему. Для этого
разработаны многочисленные модели и методы. Однако реальные
ситуации далеко не всегда удается вместить в четкие границы оп-
тимизационных задач.
В самом деле, если принять, что математическая модель зада-
чи оптимизации работы электрической системы представлена неко-
торой целевой функцией, то такая задача будет однокритериальной
(так как было принято, что у оптимального решения модели есть
единственный критерий — минимум целевой функции). В действи-
тельности все реальные задачи многокритериальны. Так, в случае
оптимизации электрической системы надо учесть следующие факто-
ры: 1) при снабжении потребителей энергией должна быть обеспе-
чена определенная надежность работы; 2) при выработке энергии
на ТЭЦ станция засоряет атмосферу; 3) нельзя вырабатывать энер-
гию на станции, которая расположена вблизи города, когда направ-
ление ветра таково, что дым отравит воздух над ним. Нельзя полу-
чать энергию от гидростанции, если по условиям сельского или рыб-
ного хозяйства в данное время невыгодно расходовать накоплен-
ную в водохранилище воду.
Можно привести еще много примеров, которые показывают, что
все задачи оптимизации такого рода вовсе не однокритериальны, хо-
тя инженеры в настоящее время плохо это понимают и стремятся
свести их к однокритериальным. Это в известной мере оправдано,
так как четких данных для большинства критериев нет и часто при-
ходится исходить из интуитивных предположений. Решения, таким
образом, приходится принимать в условиях неопределенности: при
изменяющихся, неполно заданных ситуациях, при нечетко сформу-
лированных критериях, когда нельзя охарактеризовать результат
операции одним критерием.
Для решения рассмотренных задач создаются упомянутые ра-
нее имитационные модели. Последние обычно не требуют формули-
ровки на языке математики не только критерия, но даже и цели
управления. Достаточно знать управляюще-влияющие факторы и,
варьируя ими, проигрывать течение процесса вплоть до его оконча-
ния. Отличие имитационных моделей от оптимизационных и игро-
вых состоит прежде всего в том, что задание управляюще-влияющих
факторов (стратегий) и сравнение результатов производятся чело-
веком. С учетом сочетания человека и ЦВМ имитационные модели
могут быть также названы иэргатическими моделями.
Имитационное моделирование применяется в реальной задаче
управления производством, когда свести ее к сравнительно простой
и математически сформулированной системе массового обслужива-
ния не удается. Речь идет о задачах, где приходится оценивать па-
раметры взаимосвязанных систем, у которых момент поступления
информации и продолжительность ее обработки зависят от момен-
тов поступления и продолжительности обработки данных, получен-
ных раньше.
Имитационные модели применимы ко всем проблему автомати-
зации проектирования. Обычно они разделяются (рис. 6.4) на две
278
автономные Модели: внешних событий А и обслуживания данных
Б. На модели внешних событий генерируется упорядоченная во
времени последовательность исходных заявок t. Здесь используют-
ся данные хронометража («фотография») объекта О. Модель обслу-
живания имитирует процесс приема и переработки данных. После-
довательность обработки и режим моделирования задаются раз-
работчиками. Параметры моделирования определяют быстродейст-
вие ЭВМ, интервал моделирования и режим слежения за работой
модели.
Из модели внешних событий в модель обслуживания периоди-
чески поступают заявки на обслуживание исходных компонентов.
Работа начинается с определения некоторого исходного состояния
системы, которое задается перечнем сформулированных заявок.
Значения времени поступления заявок непосредственно снимаются
с моделируемого объекта.
Рис. 6.4. Схема имитационной модели
Имитация обслуживания происходит следующим образом: из
массовой исходной заявки выбирают заявки на прием данных,
время возникновения которых меньше или равно текущему модель-
ному времени. Заявки заносятся в рабочие поля РП и далее обслу-
живаются в порядке, определяемом программой функционирования
данного поля. Затем определяется время, связанное со сложностью
заявки, к нему прибавляется текущее время и таким образом вы-
является время конца формирования заявки. После этого перехо-
дят к обслуживанию другой заявки.
Если в текущий момент времени t в модели нет заявок со вре-
менем меньше текущего, это значит, что в системе в даный момент
нет работы. Вычисляется время простоя to, прибавляется к текуще-
му времени и определяется новое текущее время. Причем в моде-
ли учитывается время, затрачиваемое ЦВМ системы на обработку
и простой. /
Это, конечно, лишь грубый пример того, как могут работать
имитационные модели. Элементы таких моделей проявляются и в
моделях других видов, например в какой-то мере характер имита-
ционных моделей все в большей мере приобретают физические мо-
дели. Ценность такого подхода прежде всего в том, что он объеди-
няет талант специалиста, неформальное мышление, интуицию с
методами формального математического исследования — математи-
ческого моделирования.
279
§ 6.5. Точность моделирования
Всякое явление, как уже отмечалось ранее, имеет в своем соста-
ве неограниченное количество различных процессов. В конкрет-
ных технических задачах из этого множества выделяются те, кото-
рые по тем или иным практическим соображениям подлежат изу-
чению. Отбор этих процессов и влияющих факторов неизбежно свя-
зан с некоторыми допущениями и приближениями. Величины, вхо-
дящие в критерии подобия, устанавливаются с какой-то погрешно-
стью и в модели, и в оригинале. Все замеры имеющихся парамет-
ров процесса также содержат погрешности. Таким образом, абсо-
лютное тождество конкретных явлений, представленных в различ-
ных пространственно-временных областях, по сути, — математиче-
ская абстракция, которая в реальных задачах отсутствует. Диффе-
ренциальное уравнение, описывающее закон протекания множест-
ва сходных явлений, представляет собой математическую модель
некоторого усредненного явления. Конкретные ее реализации даже
в пределах одной и той же моделирующей структуры различаются
вследствие стохастических вариаций физического воспроизведения
коэффициентов уравнения.
Характер исследуемого процесса во многих случаях зависит от
его предыстории относительно момента времени, принимаемого за
начальный. Условия, определяющие состояние системы в момент t =
= 0, представляют собой совокупность случайных величин,'а воз-
мущающее воздействие, определяющее протекание процесса, — слу-
чайную функцию времени. В итоге конкретная реализация процес-
са в системе—-также случайная функция. /
Еще один аспект невозможности создания абсолютно точнби
модели связан с тем, что ее реальная точность обусловливается
глубиной познания оригинала, ошибки в определении параметров
которого зависят от исходных упрощающих допущений, погрешно-
стей наблюдения и т. д., а также практическими возможностями
создания модели. Погрешности в последнем случае особенно суще-
ственно влияют на результат моделирования.
При моделировании в общем случае, особенно при физическом,
нет оснований требовать излишне большой точности материальной
реализации моделирующей структуры. Более того, существование
определенных различий между моделью и оригиналом — непремен-
ное условие реализуемости тех функций, которые на модель воз-
лагаются. Именно отличия от оригинала позволяют так опериро-
вать с моделью, как нельзя или затруднительно оперировать с ори-
гиналом.
Применительно к задачам физического моделирования пробле-
мы оценки точности моделирующей структуры связаны с тем, что
воспроизведению моделирующего процесса сопутствуют погрешнос-
ти определения и воспроизведения критериев подобия, а также
случайные вариации параметров модели, зависящие от физичес-
ких особенностей и структуры последней. ,
280
Чтобы определить достоверность результатов моделирования (с
учетом погрешностей задания и воспроизведения критериев подо-
бия с их статистическими вариациями), необходимо получить оцен-
ки:
— погрешностей реализации приближенного моделирования
вместо точного;
— степени соответствия результатов экспериментальных иссле-
дований результатам, полученным па модели;
— влияния стохастических вариаций критериев подобия;
— погрешностей прогнозирования поведения сложной системы,
находящейся под воздействием совокупности возмущающих воздей-
ствий (по экспериментальным данным о поведении другой, стати-
стически определенной системы — модели);
— необходимой точности (допустимой погрешности) воспроиз-
ведения отдельных критериев подобия при заданной вероятности
ошибки прогнозирования (надежности моделирования).
В ряде исследований было показано, что отражение случайных
вариаций параметров модели и оригинала возможно при переходе
к статистическому анализу совокупности возникающих погрешно-
стей.
Результаты вероятностных оценок подобия сводятся при этом к
числовым характеристикам случайного процесса перемещения изоб-
ражающей точки обобщенного функционала подобия в некоторой об-
ласти многомерного пространства критериев.
В связи с ростом числа экспериментальных исследований, учи-
тывающих неточность исходной информации или ее вероятностный
характер, наметились новые пути применения моделей. Оказывает-
ся, можно рассматривать сами модели в качестве объекта исследо-
вания: в таком новом качестве они имеют значительные преиму-
щества.
§ 6.6. Ошибки измерений
Измерение какой-либо физической величины — это операция оп-
ределения того, во сколько раз больше или меньше измеряемая
величина по отношению к эталонной. Именно при измерении на-
капливается фактический материал, так как в наш век точных на-
ук без измерения нельзя получить факты, а факты, как говорят,
«воздух ученого».
Никакое измерение, как бы тщательно оно ни проводилось, не
может быть выполнено абсолютно точно. Ошибку, как правило,
нельзя сделать меньше той величины, которая определяется пог-
решностью измерительного устройства. Например, было бы невер-
ным пытаться получить измерения длины с точностью до 0,01 %,
в то время как известно, что длина линейки и ее деления нанесены
с точностью 0,1%. Это очевидное положение нужно всегда иметь
в виду при измерениях.
Обычно в задачу измерения входит не только нахож-
дение.самой величины, но и оценка допускаемой
281
Погрешности. Повышение Дойностй определения результатов
экспериментов всегда сопряжено с преодолением дополнительных
трудностей. Поэтому предполагаемая точность всегда должна быть
оправдана целями эксперимента. Если результаты эксперимента
впоследствии используются для проведения каких-либо расчетов,
то нужно согласовывать точность исходных данных с точностью ме-
тода расчета. Метод может быть приближенным, т. е. он не учиты-
вает некоторые второстепенные, несущественные детали; в этих
случаях совершенно не оправдано стремление максимально повы-
шать точность определения исходных данных.
Все законы, устанавливающие количественные соотношения ме-
жду физическими величинами, получены в результате опытов, при
которых производились измерения. О справедливости этих законов
можно судить только лишь в пределах точности проводимых изме-
рений.
Закон сохранения массы, многократно проверенный со времени
его открытия Ломоносовым и Лавуазье, утверждает, что сумма
масс веществ, вступающих в химическую реакцию, равна сумме
масс веществ, получаемых в результате реакции. Однако при хи-
мических реакциях поглощается либо выделяется энергия и в со-
ответствии с установленным в теории относительности соотноше-
нием должно быть отличие в суммах масс веществ, вступающих в
химическую реакцию и получаемых в результате реакции. При сго-
рании угля это отличие составляет примерно 1 г на 3000 т угля.
Для того чтобы количественно оценить такое ничтожно малое от-
личие, необходимо произвести взвешивание с точностью до трех
стомиллионных долей процента. Следовательно, при реакции го-
рения закон сохранения масс выполняется с точностью 3-10~8%.
Все ошибки грубо можно разделить на три основных типа:
1) систематические, которые вызываются действием одних
и тех же факторов при многократных измерениях. Например, при
взвешивании некоторого тела в воздухе его вес в соответствии с за-
коном Архимеда будет отличаться от истинного веса на величину
веса вытесненного объема воздуха. Если не учесть эту «поправку»,
то будет допущена систематическая ошибка при определении истин-
ного веса тела;
2) с л у ч а й н ы е, возникновение которых связано с действием
случайных факторов, например погрешности в изготовлении гирь
для взвешивания, при колебаниях воздуха, неодинаково действу-
ющих на чаши весов, отсчета показаний приборов, от влияния тем-
пературных условий и т. д. Величины случайных ошибок при оди-
наковых измерениях в каждом конкретном случае будут различ-
ными, так как принципиально невозможно однозначно учесть дей-
ствие абсолютно всех влияющих на результаты измерений факто-
ров;
3) субъективные, связанные с недостатком внимания экс-
периментатора, с его промахами. Они возникают при грубых ошиб-
ках в отсчетах показаний приборов, при сдвигах начала отсчета
шкалы и т. п. *
!
282
§ 6J. Некоторые сведения относительно обработки результатов
измерения
Во всяком эксперименте результат измерений, изображенный
на плоскости, дает некоторый набор точек (рис. 6.5, а). Как про-
вести через эти точки линию, которая бы отражала существо полу-
ченной в эксперименте зависимости у = f(x)?
Можно провести через любые две точки прямую (скажем, 1-1'),
можно соединить все точки кривой (штриховая на рис. 6.1, а),
можно «на глаз» провести между этими точками какую-то линию
(2-21 на рис. 6.5, б). Все это будет, однако, ошибочный подход к
Рис. 6.5. Результат эксперимента и его обработка:
а — представление эксперимента в виде кривой и прямой линий;
б — представление результата эксперимента в виде прямой линии,
в — отклонение аппроксимирующей кривой от экспериментальных то-
чек
обработке. Линию, выражающую зависимость у — f(x), нужно про-
вести так, чтобы она наилучшим образом согласовыва-
лась со всеми экспериментальными точками. Для этого сумма
квадратов отклонений А (рис. 6.5, в) у всех этих точек должна быть
минимальна. Это правило вытекает из метода наименьших
квадратов, который был предложен К- Г ауссом.
Гаусс пришел к методу, рассматривая задачу, ставшую теперь
классической. Результаты ряда наблюдений у\, у%.. уп в задаче
Гаусса должны были подчиняться соотношению f(«/i, уп),
подлежащему определению. Однако из-за ошибок наблюдений и
погрешностей опытов экспериментальные данные не позволяли оп-
ределить такое однозначное соотношение, которое можно было бы
Таблица 6. 1
п Х1 п Х1 «1
1 41 4 8 180 23
2 50 8 9 208 26
3 81 10 10 241 30
4 104 14 И 250 31
5 f 120 15 12 269 36
6 139 20 13 301 37
7 154 19
283
получить по абсолютно точным наблюдениям и отсутствии погреш-
ности опыта. В этом случае появилась необходимость найти соот-
ношение между наблюдениями, которое бы наилучшим образом
отражало точную зависимость.
Примерами обработки такого рода наблюдений являются ис-
следования зависимостей сопротивления провода от его температу-
ры, плотности газа от давления, вязкости жидкости от температуры
и т. п. В результате измерений по-
лучены несколько значений измеря-
емой величины, которые можно счи-
тать координатами точек на плос-
кости.
Допустим, измеряется глубина у
проникновения в преграду пули как
функция ее энергии х. Результат
измерений представлен в табл. 6.1
(х и у даны в условных единицах),
а также точками на рис. 6.6. Нужно
найти кривую, от которой данные
точки меньше всего отклоняются.
Простейший способ проведения та-
кой кривой — соединить между со-
Рис. 6.6. Пример применения ме- боЙ ТОЧКИ’ к?к эт0 сделано на
тода наименьших квадратов РИС. 6.6 штриховой линиеи, и считать
эту ломаную искомой зависимостью,
Однако из теоретических соображений можно считать, что углуб-
ление пули в препятствие прямо пропорционально ее энергии. Поэ-
тому следует искать не какую-то функцию, лучше всего удов-
летворяющую данным точкам, а прямую линию, менее все-
го уклоняющуюся от них. Если обозначить абсциссы то-
чек, в которых производится измерение, через х{, а результаты из-
мерений — через уи то уравнение искомой прямой может быть за-
писано в виде
у = ах-\-Ь.
Коэффициенты уравнения а и b надо выбирать наилучшим об-
разом. Чтобы определить уравнение искомой прямой по методу
наименьших квадратов, можно провести ординаты точек yt до их
пересечения с искомой прямой (рис. 6.6). Значение этих ординат
будет (tfXi+b). Расстояние по ординате от точки yt до прямой рав-
но (axi~\-b — y-t). Положим, что прямая будет наилучшей, если сум-
ма квадратов всех отклонений («%,+&—Уг)2 имеет наименьшее
значение. Минимум этой суммы находится по правилам дифферен-
циального исчисления. В результате для определения а и b получа-
ются уравнения:
(п п п
«2 Х1У1—^ Xi 2 yi
/-1 /=1 i-1
П / П1 \21
п 2 — 2 ;
. /=i \/=i /*j j
284
b-= ( S 2 ~ 2 2 Xi У1
\/=l /==1 /==1 /=1
П f П \ 2'
n 2 xt —12 xd
. /=i \/=i j _
где n — число наблюдений.
Суммирование производится по всем точкам. Подстановка чис-
ленных значений (см. табл. 6.1) для рассматриваемого случая да-
ет а = 0,124, 6 = 0,7, а следовательно
у = 0,124х + 0,7.
Заметим, что если энергия пули равна нулю, то она вообще не
проникает в препятствие. Следовательно, более правильным было
бы искать решение в виде
у = ах.
Однако внутри измеренного интервала энергий найденная пря-
мая лучше удовлетворяет экспериментальным точкам, чем прямая,
проходящая через начало координат.
Теория дает возможность определить также дисперсии уклоне-
ния точек от прямой и коэффициентов а и Ь. Если So2 — дисперсия
точек, Sa2 и Sb2— дисперсия коэффициентов а и Ь, тогда
п (п—2)
Для рассматриваемого случая получаем $а=4-10-3, $6=0,7.
Разумеется, не всякая зависимость описывается уравнением пря-
мой линии. В ряде случаев, однако, путем несложных преобразо-
ваний сложную зависимость можно привести к линейной. Так, на-
пример, если y=k/x-\-l, то, введя новую переменную z—1/х, по-
лучим линейную связь между у тл. z. Точно так же, логарифмируя
y=abx, придем к линейной связи между х и 1g у. Следовательно,
пользуясь линейными уравнениями, можно находить оптимальные
функции в большом числе важных случаев. Теория позволяет нахо-
дить коэффициенты уравнений и в тех случаях, когда связь между
измеряемыми величинами описывается более сложными функ-
циями.
Следует подчеркнуть, что способ наименьших квадратов не мо-
жет дать ответа на вопрос о том, какого вида функция лучше все-
го аппроксимирует данные экспериментальные точки. Вид интере-
сующей функции должен быть задан на основании каких-то физи-
285
ческих соображений. Метод наименьших квадратов позволяет нам
лишь выбрать, какая из прямых или какая из экспонент или пара-
бол является лучшей.
Вообще говоря, можно утверждать, что чем больше произволь-
ных параметров содержит интерполирующая функция, тем лучше
она аппроксимирует данные точки. Поэтому задача оптимальной
интерполяции, по-видимому, должна ставиться так: подобрать наи-
лучшую интерполирующую функцию при наименьшем числе пара-
метров. Очевидно, что в общем случае эта задача не решается, а
вид функции обычно выбирается на основании либо физических
соображений, либо эмпирических проб.
Отметим, что вычисления по способу наименьших квадратов
достаточно громоздки. Существуют хорошо разработанные схемы
и программы для расчетов на ЦВМ, облегчающие вычисления и
контроль. Они описаны в специальных руководствах.
Иногда при проведении экспериментальных исследований зада-
ча определения коэффициентов известных функциональных зави-
симостей ставится в более общем виде.
Предположим, что требуется найти («4-1) параметров функци-
ональной зависимости
y=f(x-, а0, alt..., ап).
Измеряя величины х и у и подставляя их значения в предыду-
щее выражение, получим систему уравнений
yt=f(xf, а0, аи..., ап), i=l, 2, ..., п.
Если бы не было ошибок измерений, то достаточно было бы
произвести «4-1 измерение. В этом случае система «4-1 уравнений,
содержащая «4-1 неизвестное, может иметь однозначное решение.
Чтобы получить более достоверные результаты, число измерений
делают большим числа параметров, подлежащих определению. При
этом определяется система уравнений, в которой число неизвестных
меньше числа уравнений, т. е. получается система несовместных
уравнений. Задача состоит в том, чтобы найти такие значения па-
раметров, которые были бы наиболее вероятными, т. е. были наибо-
лее приближены к истинным значениям. В общем случае получен-
ные параметры «г(г = 0, 1,..., «) не удовлетворяют записанным вы-
ше уравнениям:
Принцип наименьших квадратов утверждает, что наиболее веро-
ятными значениями параметров а, будут такие, для которых сумма
’ квадратов отклонений е,- будет наименьшей *.
2 [У;—«о. «1> •••> «;l)j2=rnin.
i =1
* При нормальном распределении отклонений еь
28€
Отсюда Непосредственно вытекает простое правило Нахождений
коэффициентов а,. Обозначим сумму квадратов о1клонений е4 в ви-
де функции
2 flo. •••• aJ]2=e(a0, аи ...» an).
i = l
Приравнивая частные производные от функции е(«о, «ь ап)
по искомым параметрам ао, ai, ап, получим п+1 уравнение для
определения п+1 неизвестных параметров а/.
де(а0, ..., ап)/да( = 0, i=0,1, 2,п.
Этот метод определения параметров ао, ап особенно удобен
в том случае, когда функция f(x, а0, ..., ап) линейна относитель-
но параметров aL:
fix', а0, an)=(p0(x)n0 + (p1(x)a1+...+q>n(x)an.
Для этой функции сумма квадратов отклонений
2 (У/ —Фо(*г)«о—Ф1 ••• —^n(*i) «п!2-
Z = 1
Взяв частные производные от этого выражения по коэффициен-
там ао, а^ ап и приравняв их нулю, можно получить систему
уравнений для определения этих коэффициентов:
2. 2 —Фо ао — Ф1 ^xi) ai — • • • — <Рп 1*0 ап][ — Фо (*/)]=О'.
2 2 1^1— Фо(^)«о—— ••• — Фп(^)ап][—<PiUz)] = O;
/=1
2 2 Фо U?) ао — «1 —— Фп(^)«пП —<PnUi)] = 0.
z = i
В ряде случаев бывает не известен вид функциональной зависи-
мости между переменными. Тогда ставится задача определения
аналитической зависимости между ними. Аналитические зависимо-
сти являются приближенными, характер их выбирается исходя из
анализа значений переменных, полученных в результате экспери-
мента.
Широко используются зависимости между переменными в ви-
де многочленов, которыми можно заменить любую функциональ-
ную зависимость с любой степенью точности. Иногда бывает це-
лесообразно сложную аналитическую зависимость заменить более
простым аналитическим выражением в виде многочлена.
ПРИЛОЖЕНИЯ
I. НЕКОТОРЫЕ ДАТЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
И ОТЕЧЕСТВЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
VII—VI вв. до нашей эры. Первые наблюдения электрических и магнитных явле-
ний.
1600 г. Опубликование У. Гильбертом первого научного сочинения о магнитных и
электрических явлениях. Впервые введен в науку термин «электричество».
1650 г. О. Герике построил первую электростатическую машину.
1752 г. Б. Франклин производил опыты улавливания атмосферного электричества
при помощи воздушного змея.
1759 г. Т. Эпинус установил связь между электрическими н магнитными явле-
ниями.
1785 г. Ш. Кулон установил закон взаимодействия электрических зарядов и маг-
нитных полюсов.
1800 г. А. Вольта создал первый электрохимический генератор, получивший на-
звание «вольтов столб».
1802 г. В. В. Петров открыл явление электрической дуги.
1821 г. Т. Зеебек открыл явление термоэлектричества.
1827 г. Г. Ом сформулировал закон, устанавливающий связь между э. д. с., со-
противлениями и током электрической цепи, известный как «закон Ома».
1832 г. Э. Ленц сформулировал закон о направлении индуктированного тока.
1834 г. Ж. Пельтье установил обратимость термоэлектрических процессов.
1873 г. Д. Максвеллом опубликован «Трактат об электричестве и магнетизме»,
в котором изложены основы учения об электромагнетизме.
1873 г. И. Фонтен в Вене демонстрировал обратимость электрических машин и
возможность передачи электроэнергии на расстояние.
1880 г. М. Депре и Д. А. Лачннов независимо друг от друга опубликовали иссле-
дования о возможности передачи электрической энергии на дальние рас-
стояния.
1881 г. М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции.
1847 г. Г. Кирхгофом сформулированы два закона для разветвленных электриче-
ских цепей.
1882 г. М. Депре построил первую линию электропередачи Мисбах—Мюнхен про-
тяженностью 57 км.
1882 г. Сдана в эксплуатацию первая в мире центральная электростанция в Нью-
Йорке мощностью 500 кВт.
1887 г. Начала эксплуатироваться в Одессе электрическая сеть однофазного тока
напряжением 2000 В.
1888 г. М. О. Доливо-Добровольский изобрел систему трехфазного тока.
1889 г. М. О. Доливо-Добровольский изобрел трехфазный трансформатор и трех-
фазный асинхронный двигатель.
1891 г. М. О. Доливо-Добровольский построил первую трехфазную электропере-
дачу на напряжение 15 кВ, мощностью около 200 кВт, протяженностью
175 км (Лауфен—Франфурт-на-Майие).
288
1892
1893
1894
1896
1896
1897
1904
1905
1910
1914
1915
1920
1922
1924
1925
1931
1932
1933
1937
1950
1954
1956
1959
1962
1965
1967
1973
1976
г. Начала работать сеть переменного однофазного тока в Петербурге.
г. Впервые в России в г. Новороссийске пущена электростанция трехфаз-
ного тока мощностью 1200 кВт, напряжением 500 В.
г. Начала работать сеть однофазного тока напряжением 2000 В в Петер-
бурге.
г. Вступила в эксплуатацию электростанция и сеть трехфазного тока на
Охтенском пороховом заводе в Петербурге общей мощностью 270 кВт,
напряжением 2000 В.
г. Построена крупнейшая (в то время) в мире Ниагарская гидроэлектро-
станция.
г. Вступили в эксплуатацию электростанция и сеть трехфазного тока напря-
жением 2000 В, частотой 50 Гц в Москве (электростанция на Раушской
набережной имела мощность 3300 кВт).
г. Начал работать первый турбогенератор на электростанции в Петербурге.
г. Установлены на электростанции в Москве два первых турбогенератора
мощностью по 2000 кВт каждый, напряжением 2 кВ.
г. Вступила в эксплуатацию наиболее мощная в России Мургайская гидро-
станция Гиндукушской плотины мощностью 1 350 кВт.
г. Вступила в эксплуатацию линия напряжением 70 кВ «Электропередача»—
Москва протяженностью 76 км, мощностью 12 000 кВт.
г. Соединены на параллельную работу районная электростанция «Электро-
передача» мощностью 15 000 кВт с Московской электростанцией мощно-
стью 53 000 кВт.
г. Утвержден план ГОЭЛРО на VIII съезде Советов.
г. Вступила в эксплуатацию первая в России линия электропередачи Каши-
ра— Москва напряжением ПО кВ, протяженностью 120 км, с медными
проводами на деревянных опорах.
г. В Ленинграде осуществлен первый в СССР опыт комбинированного про-
изводства электрической энергии и тепла.
г. Вступила в эксплуатацию двухцеппая линия электропередачи Шатура —
Москва напряжением ПО кВ на металлических опорах.
г. Выполнен план ГОЭЛРО по всем основным показателям.
г. Пуск Днепрогэса и начало эксплуатации сети напряжением 154 кВ Днеп-
ровской энергетической системы.
г. Введена в эксплуатацию первая в Советском Союзе линия электропере-
дачи Ленинград— Свирь напряжением 220 кВ.
г. Изготовлен генератор мощностью 100 тыс. кВт. Включен в работу авто-
матический регулятор частоты на Свирской ГЭС.
г. В СССР введена в действие опытно-промышленная передача постоянного
тока Кашира — Москва напряжением 200 кВ между полюсами.
г. Построена в г. Обнинске первая в мире атомная электростанция.
г. Введена в эксплуатацию электропередача Волжская ГЭС им. В. И. Ле-
нина— Москва напряжением 400 кВ протяженностью 891 км.
г. Введена в эксплуатацию первая в мире электропередача напряжением
500 кВ Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС — Москва.
г. Сооружена электропередача постоянного тока Волгоград — Донбасс на-
пряжением 800 кВ между полюсами.
г. В Канаде введена в эксплуатацию электропередача постоянного тока на-
пряжением 735 кВ.
г. Начата эксплуатация электропередачи переменного тока напряжением
750 кВ Конаковская ГРЭС — Москва.
Сдана в промышленную эксплуатацию Братская ГЭС им. 50-летия
Великого Октября на р. Ангаре мощностью 4,5 ГВт.
Начата опытная эксплуатация энергоблока мощностью 800 МВт на
Славянской ГРЭС.
г. Построена в г. Шевченко атомная электростанция на быстрых нейтронах.
г. Завершено строительство шервой очереди крупнейшей в мире Ленинград-
ской АЭС им. В. И. Ленина, каждый из двух блоков которой имеет мощ-
ность I ГВт.
289
II. НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДОБЫЧИ ТОПЛИВА
100 лет назад население земного шара составляло 1270 млн. человек, мировое
потребление энергии — 555 млн. т у. т. *, причем удельный расход топлива на че-
ловека был равен 0,04 т. К 1970—1971 гг. население земного шара выросло при-
мерно в 2,5 раза, мировое потребление определилось цифрой в 6,5 млрд, т у. т.,
а удельный расход энергоресурсов на одного человека возрос в 4 раза. Среди
зарубежных и отечественных специалистов преобладает мнение, что к 2000 г.
население возрастет до 6 млрд, человек, а потребление энергоресурсов составит
20—25 млрд, т у. т.
В использовании человечеством энергоресурсов различных видов произошли
значительные изменения. Если в начале века, когда всего потреблялось 1,27 млрд,
т у. т., превалирующее значение имели каменный и бурый уголь (57,6%), то
сейчас уголь занимает в мировом балансе 32%, нефть и газ — 59% (было поряд-
ка 3%), гидроэнергия — 7%, атомная энергия — 2%. Удвоение потребления энер-
горесурсов в последнее время происходит примерно через каждые 15—16 лет.
В таких условиях естественно возникает вопрос: на сколько лет хватит природ-
ных ресурсов, в частности минерального топлива, для быстрорастущих нужд насе-
ления земного шара?
Запасы всех видов минерального топлива оцениваются примерно в
12,5 трлн, т у. т., а запасы, которые могут быть извлечены экономически оправ-
данными методами, — в 3,5 трлн. т. Из них 80% приходится на уголь, 10% — на
нефть и 10% —на природный газ. Торф и горючие сланцы имеют второстепенное
значение. С учетом запасов урана и тория обеспеченность населения земного
шара топливом, рассчитанная по прогнозируемому уровню потребления на
2000 г., составит ориентировочно 300 лет. Наша страна по топливным ресурсам
до конца текущего столетия не имеет каких-либо ограничений для развития своей
экономики. В Советском Союзе находится 53,5% мировых запасов угля, 31,5%
газа, 60% торфа, 43,5% горючих сланцев. Условно извлекаемые запасы минераль-
ного топлива — 2 трлн, т, из них 80% приходится на уголь и 5% — на природ-
ный газ.
Общие запасы природного газа в СССР определяют ~ 150 трлн, м3
(из 500 трлн, м3 в мире). Кроме прогнозных запасов при расчетах выделяют так
называемые промышленные запасы. В СССР их на конец 1971 г. определили
в 15,5 трлн, м3 (во всем мире 46—47 трлн. м3). Прогнозные запасы каменного и
бурого угля в СССР составляют более ’/2 всех запасов земного шара (57%). Их
хватит более чем на 100 лет.
Кроме указанных источников топлива имеется гидроэнергия, мировой потен-
циал которой оценивается в 5 трлн. кВт-ч/год, из них 17% приходится на СССР.
Так называемый экономический гидроэнергетический потенциал, определяемый
в 1,1 трлн. кВт-ч/год, в нашей стране пока далеко не использован.
Выше (см. § 1.1) указывалось, что страны мира имеют разное потребление
энергии на душу населения, существенно разное и удельное потребление топлива.
Так, среднее годовое потребление на 1 человека в год в мире составляет 1,75 т,
а в Советском Союзе оно равно 5,3, в США—11,3, в Англии — 5,3, во Фран-
ции — 3,7, в ФРГ — 5,3, в Японии — 3,1 т.
Во второй половине XX столетия значительно изменились топливный баланс
и его структура. Если в 1950 г. в капиталистическом мире в топливном балансе
уголь занимал 55%, то сейчас он составляет только 25%, остальная доля прихо-
дится на нефть — 56% (было 31%), газ—20% (было 11%), электроэнергию —
1,9% и атомную энергию — 0,3%. Таким образом, за 20 лет (с 1950 по 1970 г.)
в топливном балансе резко возросла доля потребления нефти и природного газа,
т. е. наблюдается процесс перехода к использованию более экономичных видов
топлива.
В Советском Союзе также происходили и происходят изменения топливного
баланса. Так, в 1950 г. в топливном балансе уголь занимал 56%, в 1970 г. — 32%,
нефть вместо 17% составила 37%, газ вместо 2,3—17%. Доля экономичных
видов топлива составила в балансе 1970г. 54% (было 19% в 1950г.). Такое зпа-
* Т у. т. — тонна условного топлива.
290
чительное изменение структуры топливного баланса в Советском Союзе привело
к высвобождению весьма больших капиталовложений, так как нефть и газ требо-
вали их меньше и позволили направить освободившиеся средства па строитель-
ство других отраслей промышленности.
Ожидают, что до конца текущего столетия в топливном балансе СССР будет
происходить снижение доли потребления угля и повышение совокупной доли
нефти и газа. Будет также увеличиваться использование атомной энергии, причем
по поводу абсолютной величины этого возрастания идут весьма острые споры
и называемые цифры колеблются в весьма широких пределах.
Высокими темпами развивается газовая промышленность. За 1960—1972 гг.
добыча газа в СССР увеличилась с 45,3 млрд, до 221,4 млрд, м3, удельный вес
газа в топливном балансе страны возрос с 7,9 до 19,4%, общая протяженность
сети магистральных газопроводов увеличилась с 21,0 тыс. до 76,7 тыс. км, т. е.
примерно в 4 раза.
В нашей стране сооружена п продолжает развиваться Единая система газо-
снабжения СССР (ЕСГ, или ЕГС), которая рассматривается как подсистема
ЕЭС—Единой энергетической системы страны. ЕСГ представляет собой техноло-
гически взаимосвязанный комплекс газовых месторождений и их подземных хра-
нилищ, газоперерабатывающих заводов и газораспределительных станций, объеди-
ненных разветвленной сетью магистральных газопроводов. Создание ЕСГ позво-
ляет существенно повысить надежность газоснабжения потребителей страны,
а также эффективность использования отдельных газотранспортных систем.
Если разведанные запасы природного газа в СССР на 1 января 1961 г. состав-
ляли всего 2336,1 млрд, м3, то к концу 1973 г. они достигли 23 трлн. м3.
В Тюменской области сосредоточено наибольшее количество запасов газа
в СССР (62,4%). Здесь открыт ряд уникальных месторождений — Уренгойское,
Ямбургское, Заполярное, Медвежье и другие крупные месторождения — с запа-
сами в сотни миллиардов кубометров. По ресурсам природного газа, возможно-
стям их увеличения и развитию газодобывающей промышленности в будущем
Тюменская область станет основным районом. Большие запасы газа выявлены
также в районах Средней Азии, в Туркменской ССР, где открыты крупные место-
рождения — Шатлыкское, Наипское и др. За последние годы существенное изме-
нение запасов газа произошло в европейской части страны в связи с открытием
в Оренбургской области уникального месторождения, а также ряда месторожде-
ний в Коми АССР н Украинской ССР. По геологическим данным, в европейской
части СССР имеются перспективы для увеличения запасов газа н уровня его
добычи.
Необходимо отметить, что на конец 1973 г. около 90% разведанных запасов
газа находилось на глубинах до 3000 м, в том числе около 80% —на глубинах до
2000 м. Основные запасы газа сосредоточены в сравнительно небольшом числе
крупных месторождений. Так, в шести месторождениях (Оренбургское, Заполяр-
ное, Медвежье, Ямбургское, Уренгойское, Шатлыкское) содержится почти 50% от
общесоюзных запасов и в 24 месторождениях — 23%.
Концентрация больших запасов газа в отдельных месторождениях создает
благоприятные предпосылки для крупных промыслов.
Начиная с 1973 г. в газоснабжающих системах СССР взят курс на система-
тическое значительное увеличение резервов газа. К зиме 1977/78 г. предполагается
довести объем хранения газа до 35—40 млрд, м3, увеличив его в 4 раза по срав-
нению с объемом 1973 г.
Нефтяная промышленность страны развивается весьма высокими темпами.
В 1975 г. в СССР добыто 491 млн. т нефти. Это примерно столько же, сколько
было добыто во всем мире в 1950 г. (500 млн. т). Добывать нефть в нашей стране
труднее, чем в странах Ближнего и Среднего Востока и Африки. Дело в том, что
средний дебит скважин там составляет 1000—3000 т в сутки, в нашей стране —
в среднем 20, редко 50 т. Поэтому развитие нефтяной промышленности в СССР
обусловлено в первую очередь открытием и освоением новых месторождений.
Нефть добывается в различны^ районах нашей страны. Относительно недавно
начата добыча нефти в Белорусской ССР и Удмуртской АССР. В результате
освоения новых месторождений значительно возросла добыча нефти в Оренбург-
ской и Пермской областях. Известным нефтяным районом стал полуостров Ман-
гышлак в Западном Казахстане, где добыча достигла более 17 млн. т в год.
291
Новые районы Западной Сибири обещают Так много нефти и газа, что в буду-
щем они должны стать основными нефтяными районами страны.
На протяжении длительного времени в стране основной «нефтяной кочегар-
кой», дающей самую высокую добычу нефти, была Татария, где добывается по-
рядка 100 млн. т в год. Такой уровень добычи нефти должен быть сохранен
и дальше.
Нефтяники Западной Сибири в 1973 г. добыли 97 мли. т «черного золота».
Предполагается, что к 1980 г. добыча в этом районе приблизится к 300—310 млн. т.
Перечисленные новые нефтяные районы не исчерпывают всех возможностей
по дальнейшему развитию нефтяной промышленности страны. Имеется еще целый
ряд очень интересных и весьма перспективных районов, в которых возможны
открытия нефтяных месторождений. К ним относится большая территория, назы-
ваемая Прикаспийской впадиной. Располагается она в северной части Каспий-
ского моря и охватывает обширную часть многих областей РСФСР и Казахстана.
Следующий, по существу, еще не разведанный район-—Восточная Сибирь, район
между Левой и Енисеем. Это огромная территория, по площади превышающая
территорию Тюменской области. Высокие перспективы выявления больших ресур-
сов углеводородного сырья подтверждаются благоприятным геологическим строе-
нием, наличием обильных естественных выходов и притоков нефти и газа в про-
буренных поисковых скважинах.
В угольной промышленности работает 2 млн. трудящихся, они добывают
около 700 млн. т угля ежегодно.
На 1973 г. геологи изыскали запасы до 6 трлн, т угля, причем основная его
часть расположена в Сибири и восточной части нашей территории. Имеются такие
большие запасы, как пласты Канско-Ачинского и Экнбастузского бассейнов, где
лежит 8 млрд, т готового к выемке угля с мощностью пласта 100 м.
В Канско-Ачинском бассейне имеются прекрасные условия для выработки
угля, но этот бассейн находится в Восточной Сибири и получать оттуда уголь не
просто, хотя лежит он почти на поверхности и залежи его богатейшие. Однако
канско-ачннский уголь — низкой калорийности, поэтому возить его по железной
дороге на очень большие расстояния дорого. Здесь, по-видимому, основная задача
заключается в переработке этого угля на более высококалорийное топливо на
месте. Надо надеяться, что в ближайшее время будет построена промышленно-
опытная установка и после ее освоения можно будет перерабатывать уголь на
высококалорийное топливо — осмоленный полукокс с калорийностью примерно
27 кДж кг. Такое топливо целесообразно будет возить на большие расстояния,
и бассейн сможет работать иа полную мощность.
292
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр
Предисловие ...................................................3
Предисловие авторов............................................5
Введение ............................................................. 6
§ В.1. Общая характеристика курса.............................6
§ В.2. Значение энергетики в техническом прогрессе . . . .11
§ В.З. Современная система высшего технического и энергети-
ческого образования..........................................19
§ В.4. Сведения об истории высшего технического, энергетическо-
го н электротехнического образования ...................... .26
§ В.5. Работа студента в высшем учебном заведении .... 30
§ В.6. Краткие сведения о технике безопасности и использовании
библиографии в работе студента...............................42
Глава 1. Энергетические ресурсы Земли.............................51
§ 1.1. Энергоресурсы и их использование.....................51
§ 1.2. Виды энергоресурсов и их запасы......................61
Глава 2. Влияние техники и энергетики на биосферу.................76
§ 2.1. Соотношение естественных явлений в природе с процессами
в искусственных установках...................................76
§ 2.2. Развитие энергетики в ее взаимосвязи с окружающей сре-
дой .........................................................78
§ 2.3. Биосфера и технический прогресс......................82
§ 2.4. Влияние энергетики на биосферу.......................90
Глава 3. Современные способы преобразования различных видов энергии
в электрическую......................................................101
§ 3.1. Законы сохранения материи н энергии. Их значение при
рассмотрении способов получения электроэнергии . . . 101
§ 3.2. Тепловые конденсационные электрические станции . . .ПО
§ 3.3. Теплоэлектроцентрали .................................120
§ 3.4. Газотурбинные установки...............................123
§ 3.5. Парогазовые установки.................................124
§ 3.6. Гидравлические электрические станции..................126
§ 3.7. Гидроаккумулирующие электрические станции . . . .135
§ 3.8. Приливные электрические станции.......................141
§ 3.9. Атомные электрические станции.........................143
Глава 4. Новые способы преобразования различных видов энергии
в электрическую..................................................159
§ 4.1. Развитие общества и необходимость новых способов преоб-
разования энергии...........................................159
§ 4.2. Магнитогидродинамическое преобразование энергии . . 164
§ 4.3. Термоэлектрически^ генераторы.......................171
§ 4.4. Радиоизотопные источники энергии......................177
§ 4.5. Термоэмиссиониые генераторы.........................179
293
§ 4.6. Электрохимические гейераФоры 182
§ 4.7. Геотермальные электростанции..........................185
§ 4.8. Солнечные электростанции..............................187
§ 4.9. Использование энергии реакторов-размножителей и термо-
ядерных реакций...............................................193
Глава 5. Электроэнергетика ...........................................199
§ 5.1. План ГОЭЛРО — первый в мире государственный план раз-
вития народного хозяйства .................................. 199
§ 5.2. Электроэнергетика СССР ...............................203
§ 5.3. Применение электрической эиергнн в народном хозяйстве 212
§ 5.4. Потребление электрической энергии.....................221
§ 5.5. Понятие об электроэнергетической системе..............225
§ 5.6. Принцип работы и конструктивное выполнение основных
элементов электроэнергетической системы......................229
§ 5.7. Передача энергии па расстояние........................241
§ 5.8. Преимущества объединения энергетических систем . . . 246
§ 5.9. Управление электроэнергетическими системами .... 251
Глава 6. Некоторые вопросы постановки и обработки результатов тео-
ретических и экспериментальных исследований............................258
§ 6.1. Задачи исследований электроэнергетических Систем . . . 258
§ 6.2. Моделирование и подобие...............................261
§ 6.3. Модели и приемы их создания...........................266
§ 6.4. Примеры применения моделей............................270
§ 6.5. Точность моделирования................................280
§ 6.6. Ошибки измерений .....................................281
§ 6.7. Некоторые сведения относительно обработки результатов
измерения.................................................. 283
Приложения:
I. Некоторые даты развития электротехники и отечественной энергетики , 288
II. Некоторые характеристики добычи топлива...........................290
Веников В. А. и Путятин Е. В.
В29 Введение в специальность. Учеб, пособие для
вузов. М., «Высш, школа», 1978.
294 с. с ил.
Книга знакомит студентов-первокурсников с основными специаль-
ными дисциплинами, прививает им определенный строй мышления и
в какой-то мере раскрывает смысл и назначение смежных дисциплин,
далее изучаемых в институте.
В ней освещены все основные стороны электроэнергетического прр-
изводства и энергетической науки, рассматриваемые с точки зрения
как исторического, так и естественнонаучного обоснования, экономиче-
ской эффективности и конструктивного воплощения.
Предназначается для студентов вузов электроэнергетических спе-
циальностей.
30301—109 ч
В-----------47-77
001(01)—7?
6П?