Энергоинформ / Точка зрения / Гравитационная электрическая станция
Гравитационная электрическая станция
Гравитационная электрическая станция (ГРАЭС) — это станция закрытого типа, преобразующая энергию гравитационного поля планеты в электричество и тепло. Состоит из подъёмного канала, верхнего отсека с компрессорами и теплообменниками, наружная поверхность которых покрыта тонким слоем капиллярной структуры, опускного канала и нижнего отсека с установленной в нём гидротурбиной. Подъём рабочей жидкости из нижнего отсека в верхний через подъёмный канал происходит за счёт сил капиллярного всасывания, создаваемых капиллярной структурой. Когда жидкость проникает внутрь капилляра на боковой стенке теплообменника, через стенку из теплообменника поступает тепло, испаряющее жидкость (откуда берётся тепло, скажу потом). Пар выходит наружу, сжимается компрессором и подаётся внутрь теплообменника. Так как испаряющийся пар находится в состоянии насыщения, при его сжатии температура насыщения растёт и оказывается выше температуры жидкости в капиллярах. Поэтому возникает температурный напор между паром внутри теплообменника и жидкостью на его внешней поверхности: пар конденсируется, а выделяющееся тепло проходит через стенку аппарата и испаряет новые порции жидкости из капиллярной структуры. Конденсат падает по опускному каналу вниз, поглощает энергию гравитационного поля и отдаёт её гидротурбине, которая крутит электрогенератор. Часть выработанного электричества питает компрессоры, другая идёт потребителю.
Известно, что теплота фазового перехода с увеличением давления снижается, поэтому может показаться, что при конденсации пара выделится тепла меньше, чем требуется на испарение такого же расхода жидкости. Реальная ситуация будет прямо противоположной. Пар при его сжатии компрессором нагревается настолько, что его температура растёт быстрее температуры насыщения, и он оказывается перегретым. Суммарная теплота перегрева и конденсации будет больше теплоты испарения по той причине, что компрессоры вносят в пар избыточную энергию и выполняют роль нагревателя, компенсирующего утечки тепла из верхнего отсека в атмосферу. Поэтому возникнет проблема отвода избыточного тепла. Для решения данной проблемы придётся часть пара отводить в специальные паровые конденсаторы и там переводить его в жидкую фазу путём воздушного охлаждения.
Работа ГРАЭС частично напоминает те процессы, которые происходят в растениях и атмосфере. Вода под действием капиллярных сил поднимается по стволу дерева к листьям, испаряется и поднимается далее в верхние слои атмосферы, где конденсируется из-за низкой температуры. Затем конденсат падает дождевыми каплями на землю, проникает в почву и через корни снова поступает в ствол дерева. Но имеются и отличия от природы и открытых схем. В природных условиях и открытых конструкциях процессы испарения и конденсации разнесены в пространстве и происходят в разных точках с разной температурой. Наличие природного температурного напора делает компрессор не нужным. В установках закрытой схемы испарение и конденсация идут практически в одном месте и разделяются лишь тонкой стенкой теплообменного аппарата, поэтому для таких схем требуется компрессор, создающий необходимый температурный напор.
Было найдено, что на сегодняшний день единственно приемлемым рабочим телом ГРАЭС являются жидкие металлы, а из них наилучшие характеристики показывают металлы щелочной группы и их эвтектики. Это обусловлено тем, что оптимальный перепад температур между конденсируемым паром и испаряемой жидкостью обычно не велик (несколько десятых долей градуса), поэтому для создания больших тепловых потоков через стенку теплообменника и больших расходов рабочего тела приходится использовать вещества с высоким коэффициентом теплоотдачи испарения и конденсации. Этому условию удовлетворяют только жидкие металлы. Использование воды ведёт к уменьшению выработки энергии в несколько тысяч раз по сравнению с жидким металлом, и такая ГРАЭС оказывается экономически не конкурентоспособной. А использование аммиака ещё сильнее снижает выработку энергии. Ртуть могла бы быть хорошим кандидатом на роль рабочего тела, если бы не высокая ядовитость ртутных паров и чрезвычайно огромная её коррозионная активность при температурах испарения (при таких температурах ртуть растворяет в себе многие конструкционные металлы; с этой проблемой столкнулись американцы, когда в 70-ых годах прошлого века построили и опробовали работу ядерного реактора с ртутным теплоносителем — ртуть «съела» всю начинку реактора за две недели). Окончательно для расчётов была выбрана эвтектика натрий+калий с температурой плавления −11 град. и температурой испарения 784 град.
Что касается фреона, у него имеется очень хорошее для использования в ГРАЭС свойство: низкая теплота фазового перехода испарение-конденсация. Чем ниже теплота, тем больше будет расход
теплоносителя при неизменном тепловом напоре, и тем больше окажется мощность станции. Но у фреона есть два больших недостатка, которые препятствуют его использованию в ГРАЭС. Во-первых, фреон имеет низкую по сравнению с металлом теплопроводность. Для стороны испарения это не очень заметно, т.к. высокая теплопроводность металла капиллярной структуры заметно компенсирует низкую теплопроводность жидкости. Но для стороны конденсации это оказывается ключевым фактором. Образованный конденсат тонкой плёнкой покрывает всю поверхность теплообмена и за счёт своей низкой теплопроводности снижает общий тепловой поток в тысячи раз по сравнению с использованием жидкометаллического теплоносителя. С целью преодоления данного недостатка необходимо вместо плёночной конденсации организовать капельную, когда конденсат не смачивает поверхность, а стягивается на ней в отдельные крупные капли, оставляя большую часть поверхности свободной от жидкости. Для этого необходимо покрыть поверхность очень тонким слоем фреоноотталкивающего вещества. Но таких веществ пока нет, их нужно ещё создать.
Во-вторых, существующие на сегодня фреоны обладают низкой температурой кипения, обычно ниже максимальной температуры самого жаркого летнего дня. При таких соотношениях температур отвод избыточного тепла из верхнего отсека станции в атмосферу летом становится невозможным. Следовательно, необходимо получить новую разновидность фреона, которая имела бы температуру кипения на уровне 60-70 град. В принципе, пути получения такой разновидности фреона известны. Практика показывает, что увеличение молекулярной массы фреона смещает температуру его кипения в сторону более высоких значений. Одновременно с этим растут плотности жидкой и паровой фаз, что также играет немаловажную роль. Увеличение плотности жидкой фазы позволяет при одинаковой высоте подъёмного и опускного каналов получить более высокую мощность станции из-за роста гидростатического напора в опускном канале. А увеличение плотности паровой фазы позволяет снизить энергозатраты компрессора на сжатие пара (затраты энергии на сжатие обратно пропорциональны плотности пара). Но таких фреонов также пока нет, их ещё предстоит создать.
Капиллярная структура на теплообменниках выполняется двухслойной: внутренний слой имеет крупные поры с большим радиусом, наружный очень тонкий слой имеет мелкие поры малого радиуса. Такая схема позволяет решить две противоборствующие проблемы. С одной стороны, для максимального повышения мощности станции и удешевления вырабатываемого электричества нужно поднять рабочее тело как можно выше, для чего необходимо использовать капилляры малого радиуса. С другой стороны, уменьшение размера пор ведёт к росту гидравлического сопротивления, что снижает расход жидкости. Если мы используем двухслойную структуру, тогда гидросопротивление потоку жидкости оказывается не высоким, так как жидкость поднимается по внутреннему слою с крупными порами. Когда она затем проникает внутрь наружного мелкопористого покрытия и здесь движется поперёк его, общее гидросопротивление от этого сильно не увеличивается, т.к. толщина наружного покрытия очень невелика, всего десятые доли миллиметра. Зато значительная кривизна мениска жидкости в мелких порах создаёт высокие капиллярные силы.
Расчёты показали, что оптимальная высота теплообменников составляет 10-15м, при этом кпд станции достигает 52%, высота подъёмного и опускного каналов лежит в интервале 500-600м, а мощность станции равна 600-1000 МВт. Если выбрасываемое наружу тепло преобразовать в дополнительное электричество обычным турбомашинным способом, тогда кпд вырастает до 69% с соответствующим увеличением мощности. Оказалось, что имеется также оптимальное значение температурного напора между конденсируемым паром и испаряемой жидкостью — 0.42 град. При таком значении напора достигается максимальная электрическая мощность. Если увеличивать температурный напор выше этого значения, выработка электричества падает, потому что большую часть вырабатываемого электричества приходится пускать на компрессоры, и оно в установке окончательно преобразуется в тепло.
Следует отметить тот факт, что для ГРАЭС понятие коэффициента полезного действия, заимствованное из тепловой энергетики, теряет свой старый смысл. Для тепловых станций величина кпд показывает отношение полезной электрической энергии, отправляемой потребителю, к полной тепловой энергии сгорания топлива. Последняя величина определяется исключительно количеством и качеством топлива и никакие технические усовершенствования тепловой станции не могут её изменить. Для ГРАЭС такие технические усовершенствования меняют одновременно как тепловую мощность (или мощность на гидротурбине), так и электрическую (тепловая мощность минус энергозатраты компрессора). Поэтому для ГРАЭС понятие кпд перестаёт показывать техническое совершенство процесса. Теперь оно показывает лишь соотношение между вырабатываемой на самой станции и отправляемой потребителю энергиями. И может оказаться так, что чисто экономически окажется выгодным даже несколько занижать кпд, зато увеличивать отпуск энергии потребителю.
Поперечные размеры подъёмного и опускного каналов также оказались оптимизируемыми — примерно 1.5 метра в диаметре. При уменьшении диаметра ниже этого порога сильно растёт гидросопротивление, и как результат, падает суммарный расход при неизменном капиллярном напоре. При увеличении диаметра выше оптимума, гидросопротивление каналов становится намного меньше гидросопротивления капиллярной структуры и на общем гидросопротивлении уже не сказывается, зато общая масса рабочего вещества и денежные затраты на его очистку и подготовку к работе заметно растут.
Если говорить о капитальных затратах на строительство, то они оказываются обычно в 1.5-2 раза меньше по сравнению с тепловой станцией аналогичной мощности. Зато эксплуатационные издержки из-за отсутствия потребления топлива оказываются ниже в десятки раз. А экологическое воздействие на природную среду вообще становится мизерным, так как отсутствуют выбросы парниковых газов, тяжёлых металлов, оксидов серы и азота, радиоактивных элементов и т.д.
И тем не менее, ГРАЭС мне не нравится по той же причине, почему не нравится любая крупная электрическая станция: она громоздка и не транспортабельна. А потому не сможет дать толчок развитию того, что иногда называют свободной энергетикой: такой энергетикой, когда потребитель является одновременно производителем для самого себя и становится свободным от диктата крупных энергетических монополий. Конечно, отсутствие потребления горючки и экологическая чистота ГРАЭС могут заметно снизить цену на электричество, но лишь в том случае, если на это добровольно пойдёт владелец станции. А учитывая менталитет нашей бизнес-элиты, эта возможность оказывается под большим вопросом. Может даже оказаться так, что владелец станции поднимет цену, оправдываясь необходимостью окупить средства, вложенные в постройку ГРАЭС.
Причина больших размеров ГРАЭС и её нетранспортабельности обусловлена низкой эффективностью гравитационной деформации физического вакуума. Дело в том, что любое поле (гравитационное, электрическое, магнитное) является той или иной формой деформации физвакуума. А энергия этого поля является частным случаем энергии вакуума. Извлекая энергию из гравитационного поля в нашей ГРАЭС, мы фактически извлекаем её из физвакуума. Если мы подсчитаем гравитационную и электрическую силы притяжения электрона и позитрона друг к другу (или протона и антипротона), то обнаружим, что гравитационная сила на 40 с небольшим порядков меньше. И сразу становится ясно, что извлечение энергии из физвакуума через электромагнитное поле должно быть намного эффективнее, а генератор, построенный на электромагнитном принципе извлечения, будет намного компактнее. И такие исследования по электромагнитному принципу извлечения энергии из физвакуума уже ведутся достаточно широким фронтом.
С уважением, И. А. Прохоров
