Атомные электростанции. В районах, где природные энергетические ресурсы ограничены или отсутствуют, сооружают атомные электростанции (рис. 2.10). На долю АЭС сегодня приходится примерно 4,5 % вырабатываемой в стране электроэнергии. АЭС для получения электроэнергии и тепла используют ядерное горючее. Вместо котельного агрегата на АЭС находится реактор, т.е. специальные парогенераторы.

В качестве топлива на АЭС применяют тяжелые элементы: уран-235, уран-233, плутоний-239. Расщепление ядер урана-235 происходит под действием нейтронов по цепной реакции, при этом выделяется большое количество тепловой энергии (83 %) и ядерного излучения.

Реакторы (рис. 2.11) имеют так называемую активную зону 1, в которую загружается ядерное топливо, содержащее уран-235 и замедлитель (обычно графит или вода). Для сокращения зоны утечки нейтронов зона окружена отражателем 2, за которым размещается бетонная защита 5 от радиоактивных излучений. Количество ядерного топлива в реакторе значительно превышает критическую массу, поэтому в активную зону вводят сильный поглотитель нейтронов в виде стержней 4 из карбида бора. По мере выгорания топлива регулирующие стержни извлекают из активной зоны. Нагретый теплоноситель отводится по трубам 3 в теплообменник – парогенератор 6, где передает свое тепло рабочему телу (например, воде, проходящей по змеевикам и превращающейся в пар). Рабочее тело (пар) поступает в турбину 7, вращает вал турбины, соединенный с валом генератора 8. Отработавший пар попадает в конденсатор 9, после чего сконденсированная вода вновь идет в теплообменник.

Все ядерные реакторы имеют специальную биологическую защиту, чтобы предохранить обслуживающий персонал от опасных радиоактивных излучений, которые вызывают ионизацию молекул клеток.

По оценкам экспертов, запасы ядерного топлива примерно в 2000 раз превышают все запасы органического топлива на Земле, его хватит на тысячелетия. Это снимает угрозу топливной недостаточности и гарантирует человечеству возможность интенсивного развития энергетики в настоящем и в будущем. Так, в настоящее время доля АЭС в суммарном производстве энергии в мире составила 55 %. Мощность АЭС мира ‒ порядка 1 млн МВт.

Геотермальные электростанции. Геотермальные электростанции используют внутреннее тепло Земли, геотермическую энергию гейзеров, термальных вод для теплофикации и производства энергии (рис. 2.12).

В России геотермальные источники существуют на Камчатке, Курильских островах, в Сибири. Впервые геотермальная станция на глубинном паре под давлением 5 атм и температурой 200 ^>0С была построена в г. Лардерелло (Италия ) в 1904 г. Геотермальные электростанции используются в Италии, Исландии, России, Японии и Новой Зеландии.

В 1967 г. на Камчатке была построена Паужетская ГТЭС на 11 МВт, в 2000 г. запущены Мутновская ГТЭС на 200 МВт и Паратун-ская ГТЭС.

Гелиоэлектростанции. Гелиоэлектростанции используют энергию солнечных лучей (рис. 2.13) с помощью приемников двух видов:

− плоских, улавливающих солнечные лучи, направленных перпендикулярно плоскости (приемники отслеживают направление солнечных лучей, автоматически разворачивая свою плоскость);

−концентрирующих, в которых солнечные лучи с помощью зеркальных сферических поверхностей концентрируются в фокусе, где расположены тепловые элементы (например, паровой котел).

Сконструированы солнечные электростанции на полупроводниковых фотоэлементах (кремниевых, селеновых и др.). В таких установках солнечная энергия непосредственно превращается в электрическую.

В конце ХХ в. в США и России был создан двухслойный полупроводниковый фотоэлемент из арсенида галлия, который преобразует в электричество видимую часть солнечного спектра, а инфракрасная часть спектра, проходящая через этот прозрачный слой, поглощается и преобразуется в электричество во втором слое – антимоноде галлия или арсениде алюминия. КПД такого фотоэлемента составляет примерно 30–37 %, что сопоставимо с КПД современных ТЭС и АЭС (у обычных фотоэлементов в настоящее время КПД составляет 10– 12 %. КПД гелиоэлектростанций составляет 5–10 %, стоимость электроэнергии такой электростанции в 5–10 раз выше стоимости электроэнергии, вырабатываемой традиционными электростанциями. Считается, что повышение КПД данных станций до 20 % позволит стать им конкурентным источником электричества.