Производство электроэнергии

Производство, распределение и передача электроэнергии

Развитие современного общества, построение материально-технической базы немыслимо без увеличения выработки энергии. Для использования энергии ее сначала надо произвести, передать на значительные расстояния и распределить между многочисленными и разнообразными потребителями.

Электрические станции предназначены для преобразования различных видов энергии в электрическую. Оп роду первичной энергии, преобразуемой специальными агрегатами в электрическую, электрические станции подразделяются на тепловые, гидравлические и атомные. Идет также разработка электростанций новой генерации – плазменных, на основе термоядерных реакторов.

На тепловых электрических станциях (ТЭС) химическая энергия сжигаемого топлива преобразуется в паровом котле в энергию водяного пара, приводящего в движение паровую турбину, соединенную с генератором. Механическая энергия вращения турбины преобразуется генератором в электрическую. Отработанный пар поступает в конденсатор и превращается в воду. Далее с помощью насоса вода подается в паровой котел и цикл повторяется. Тепловую энергию, необходимую для работы парового котла, получают в результате сжигания природного газа, твердого топлива или жидкого топлива. В зависимости от типа первичного двигателя различают паротурбинные, газотурбинные, паромашинные и дизельные тепловые станции. Последние два типа первичных двигателей используют на небольших местных ТЭС, в том числе и сельскохозяйственных.

Большинство ТЭС оборудовано паровыми турбинами, имеющими ряд преимуществ по сравнению с другими первичными двигателями. Паровую турбину можно изготовить с частотой вращения, равной частоте вращения генератора, и соединить их непосредственно друг с другом. Паровые турбины обладают равномерным ходом, что важно для получения постоянной частоты электрического тока.

Тепловые паротурбинные электрические станции делятся на два типа: конденсационные и теплофикационные. Конденсационные станции служат только для выработки электроэнергии. На теплофикационных, кроме  электрической, вырабатывают также и тепловую электроэнергию, направляемую ближайшим потребителям в виде пара или горячей воды.

Конденсационными станциями (КЭС) называются станции, отработанный пар которых подвергается охлаждению в специальных устройствах – конденсаторах. Такие станции строят вблизи мест добычи топлива и водных источников, т.к. для их работы требуется большое количество воды, поэтому, как правило, они расположены вдали от непосредственных потребителей электроэнергии. Электрическая энергия от таких станций передается по линиям электропередачи напряжением 35 – 110 кВ и выше. Мощные конденсационные станции называются государственными районными станциями или просто районными. Такие станции имеют коэффициент полезного действия (КПД)  не более 40%.

Теплофикационные электростанции, которые вырабатывают в основном тепловую энергию, называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Их сооружают вблизи потребителя тепла. Снабжение электроэнергией от ТЭЦ осуществляется на более низких напряжениях (обычно 6 – 10 кВ). КПД ТЭЦ составляет 70 – 80%, а при особых режимах он достигает 85%.

Вы когда-нибудь задумывались, зачем нужны повышающие и понижающие трансформаторные подстанции? Оказывается, при передаче больших мощностей от электростанции к потребителю по линиям электропередачи возникают большие потери электричества. Это связано с рассеиванием мощности на самих проводах вследствие их внутреннего сопротивления. Поэтому необходимо повышать напряжение в сетях, а не ток, т.к. при повышении тока рассеиваемая мощность на проводах прямо пропорциональна текущему току в квадрате.

К тепловым электрическим станциям относятся также атомные электростанции (АЭС). Они представляют собой сложные электрические установки. На них используется тепловая энергия распада атомного ядра изотопа урана или тория. Чтобы получить тепловую энергию распада атомного ядра длительно, а не в виде взрыва, и управлять ею, применяют специальные атомные котлы, называемые реакторами, со специальными замедлителями. По существу атомная электростанция является тепловой, т.к. тепловая энергия распада атомного ядра через специальные теплоносители передается воде, преобразуемой в пар, который приводит в движение турбогенератор. Однако вследствие интенсивного радиоактивного излучения требуется сооружение специальных средств для защиты от излучения, что существенно отличает атомные электростанции от обыкновенных тепловых.

Атомный котел (реактор) электростанции состоит из графитовых блоков, графит которых служит одновременно замедлителем. В графитовых блоках сделаны цилиндрические отверстия, в которые помещаются тонкостенные стальные трубки. Внутрь каждой трубки вставляется стержень из атомного горючего, покрытый защитным слоем. В каналы между стержнем и стенками стальных трубок нагнетается охлаждающий теплоноситель, обладающий свойством незначительно поглощать нейтроны, которые выделяются в процессе цепной реакции. Теплоносителем может быть тяжелая вода, газ, металл (натрий или висмут). Система отбора тепла, осуществляемая этим теплоносителем, должна отводить очень большое количество тепла. Чем выше допускаемая температура теплоносителя, тем выше КПД всей энергетической установки, который для современных атомных электростанций составляет 25 – 35%.

Строительство новых АЭС не останавливается. По состоянию на 1 января 2003 года в мире в эксплуатации находилось 438 энергоблоков АЭС по сравнению с 434, зарегистрированными в 1998 году. Много это или мало, судите сами, если учитывать тот факт, что их эксплуатация связана с определенным риском. Каждый помнит трагедию, произошедшую на Чернобыльской АЭС. Общая электрическая мощность работающих в мире энергоблоков – около 353 ГВт (1 ГВт = 1000 МВт). Действующие атомные электростанции обеспечивают покрытие 17% мировых потребностей в электроэнергии. Только в Западной Европе атомные электростанции вырабатывают в среднем около 50% всей электроэнергии.

Многие страны в мире располагают значительными водными богатствами, что позволяет успешно использовать энергию водного потока рек для производства электрической энергии. Наиболее эффективными являются сооружения крупных гидроэлектростанций (ГЭС) мощностью в сотни тысяч киловатт. Для электрофикации сельскохозяйственных потребителей, особенно в районах, удаленных от сетей энергосистем, используют небольшие гидроэлектростанции мощностью в несколько тысяч киловатт.

Гидроэлектростанции имеют ряд преимуществ: легко поддаются автоматизации, обладают быстрым запуском, малыми эксплуатационными расходами, а значит, и низкой себестоимостью производимой электроэнергии. Недостатками ГЭС являются значительные капитальные вложения, вызванные большими объемами земляных и строительных работ, устройством водохранилищ, плотин, отводных каналов и др.

Производство электроэнергии осуществляется за счет использования энергии падающей воды. Высота падения воды называется напором. Он создается установкой плотины, размещенной поперек реки. Величина напора определяется разницей верхнего уровня водного пространства до плотины и нижнего после ее. Используя полученный перепад уровней воды, можно привести в действие рабочее колесо гидротурбины и закрепленный на одном валу с ней генератор, вырабатывающий электрический ток.

На гидростанциях не вся энергия водного потока превращается в полезную работу. Часть энергии (до 30%) расходуется на механические сопротивления, потери в гидросооружениях и генераторах.

Гидроэлектростанции обычно работают параллельно с тепловыми станциями, что обеспечивает наиболее экономичное расходование воды, топливных ресурсов и надежное обеспечение потребителей электрической энергией.

КПД гидроэлектростанций значительно выше, чем тепловых или ядерных электростанций, и составляет 80-90%.

Электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.