Производство электроэнергии на тэс. Теплоэлектроцентрали. Атомные электрические станции. Принцип выработки электроэнергии

Производство электроэнергии на тэс. Теплоэлектроцентрали. Атомные электрические станции

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указание на то, какой вид первичной энергии в какой вид вторичной преобразуется на них:

ТЭС– тепловая электрическая станция преобразует тепловую энергию в электрическую;

ГЭС– гидроэлектростанция преобразует механическую энергию движения воды в электрическую;

ГАЭС– гидроаккумулирующая станция преобразует механическую энергию движения предварительно накопленной в искусственном водоеме воды в электрическую;

АЭС– атомная электростанция преобразует атомную энергию ядерного топлива в электрическую;

ПЭС– приливная электростанция преобразует энергию приливов в электрическую, и т. д.

В Республике Беларусь более 95% энергии вырабатывается на ТЭС. По назначению тепловые электростанции (ТЭС) делятся на два типа:

КЭС– конденсационные тепловые электростанции, предназначенные для выработки только электрической энергии;

ТЭЦ– теплоэлектроцентрали, на которых осуществляется совместное производство электрической и тепловой энергии [12].

На рис. 1. представлена тепловая схема ТЭС. Ее основное оборудование состоит из котла-парогенератора ПГ, турбины Т и генератора Г. В котле при сжигании топлива выделяется тепловая энергия, которая преобразуется в энергию водяного пара. В турбине Т водяной пар превращается в механическую энергию вращения. Генератор Г превращает энергию вращения в электрическую. Тепловая энергия для нужд потребления может быть взята в виде пара из турбины либо котла. На рис. 1. кроме основного оборудования ТЭС показаны конденсатор пара К, в котором отработанный пар, отдавая скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде, с помощью циркуляционного насоса Н в виде конденсата вновь подается в котел-парогенератор. Схема ТЭЦ отличается тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали. Технология преобразований энергии на ТЭС может быть представлена в виде цепи следующих превращений:

Рис. 1. Тепловая схема ТЭС

Топливо и окислитель, которым обычно служит воздух, непрерывно поступает в топку котла. В качестве топлива чаще всего используются уголь, сланцы, природный газ и мазут (продукт переработки нефти – остаток после отгонки из нефти бензина, керосина и других легких фракций). Однако использование природного газа и особенно мазута в перспективе должно сокращаться, так как это слишком ценные вещества, чтобы их использовать в качестве котельного топлива. За счет тепла, образующегося в результате сжигания топлива, в паровом котле вода превращается в пар с температурой около 550°С. КПД ТЭС – это отношение полученной электрической энергии к тепловой энергии, образовавшейся при сжигании топлива; он растет при повышении начальной температуры пара. Но при этом для наиболее ответственных деталей установки, испытывающих большие механические нагрузки в сочетании с высокой температурой, приходится применять высококачественные, дорогие стали. Выигрыш в КПД не компенсирует повышенных затрат на металл. В турбине способ преобразования тепловой энергии пара в механическую энергию состоит в следующем. Пар высокого давления и температуры, имеющий большую тепловую энергию, из котла поступает в сопла турбины. Сопла – это неподвижно укрепленные, не вращающиеся вместе с валом турбины, сделанные из металла каналы, в которых температура и давление пара уменьшаются, а значит, уменьшается и его тепловая энергия, но зато увеличивается скорость движения потока пара. Таким образом, за счет уменьшения тепловой энергии пара возрастает его механическая (кинетическая) энергия. При этом механическая энергия потока пара превращается в механическую энергию ротора турбины, а точнее – в механическую энергию турбогенератора, так как валы турбины и электрического генератора соединены между собой. Современные паровые турбины для ТЭС – весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные машины. Количество охлаждающей воды должно быть в несколько десятков раз больше, чем количество конденсируемого пара. Поэтому ТЭС строят поблизости от крупных водных источников. Процесс производства электроэнергии на ТЭС условно можно разделить на три цикла: химический – горение, в результате которого внутренняя химическая энергия топлива превращается в тепловую и передается пару; механический – тепловая энергия пара превращается в энергию вращения турбины и ротора турбогенератора; электрический – механическая энергия превращается в электрическую [15].

Предприятиями, на которых производится тепловая и электрическая энергии, являются: ТЭС на углеводородном топливе, ТЭЦ производит электрическую и тепловую энергию, АЭС использует энергию ядерного распада. ТЭС включает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в механическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию. Поступающее со склада в парогенератор топливо при сжигании выделяет тепловую энергию, которая, нагревая подведенную с водозабора воду, преобразует ее в энергию водяного пара с температурой 550˚С. В турбине энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения, передающуюся на генератор, который превращает ее в электрическую. В конденсаторе пара отработанный пар с температурой 123-125˚С отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде и с помощью циркулярного насоса в виде конденсата вновь подается в котел-парогенератор. На ТЭС могут использоваться газотурбинные установки (ГТУ). Широкое распространение газовые турбины получили на транспорте в качестве основных элементов авиационных двигателей, на железнодорожном транспорте – газотурболокомотивы.

В ГТУ в качестве рабочего тела служит смесь продуктов сгорания топлива с воздухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. По конструктивному исполнению и принципу преобразования энергии газовые турбины не отличаются от паровых. Экономичность работы газовых турбин примерно такая же, как и двигателей внутреннего сгорания, а при очень высоких температурах рабочего тела их экономичность выше. Газовые турбины более компактны, чем паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания аналогичной мощности. Важнейшим преимуществом газовой турбины является ее высокая маневренность: время запуска составляет 1–1,5 мин. ТЭС с газотурбинными установками более маневренна, чем паротурбинная, легко пускается, останавливается, регулируется. Недостаток ГТУ заключается в том, что газовые турбины работают, в основном, на жидком высокосортном топливе или на газообразном (природный газ; искусственный газ, получаемый при особом сжигании твердых топлив). Тем не менее, аналитические исследования перспективных направлений развития мировой энергетики называют ГТУ в числе наиболее прогрессивных преобразователей энергии XXI века. На рис. 2. представлена принципиальная схема ТЭС с газотурбинной установкой.

Рис. 2. Схема ТЭС с газотурбинной установкой (ГТУ)

В камеру сгорания 1 подается жидкое или газообразное топливо и воздух. Образующиеся в ней газы 2 высокого давления при температуре 750-770°С направляются на рабочие лопатки турбины 3. Турбина 3 вращает электрический генератор 4, вырабатывающий электрическую энергию, и компрессор 5, служащий для подачи под давлением воздуха 6 в камеру сгорания. Сжатый в компрессоре 5 воздух 6 перед подачей в камеру сгорания 1 подогревается в регенераторе 7 отработанными в турбине горючими газами 8. Подогрев воздуха позволяет повысить эффективность сжигания топлива в камере сгорания. Для повышения экономической эффективности использования ГТУ на ТЭС применяют парогазовые установки – совмещение газотурбинных и паротурбинных агрегатов. Они являются высокоманевренными и служат для покрытия пиковых нагрузок в энергосистеме. Принципиальная схема ТЭС с парогазовой установкой приведена на рис. 3. На ней обозначены: 1– парогенератор, 2 – компрессор, 3 – газовая турбина, 4 – генератор, 5 – паровая турбина, 6 – конденсатор, 7 – насос, 8 – экономайзер. Экономайзер позволяет отработанные в турбине газы использовать для подогрева питательной воды, что дает возможность уменьшить расход топлива и повысить КПД до 44%.

Рис. 3. Схема ТЭС с парогазовой установкой

На рис. 4. представлена еще одна возможная схема ТЭС с парогазовой установкой – с выбросом отработанных газов в паровой котел. Здесь 8 – камера сгорания.

Рис. 4. Схема ТЭС с парогазовой установкой с выбросом отработанных газов в паровой котел

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), где осуществляется комплексная выработка электрической и тепловой энергии, обладают КПД в 1,5-1,7 раз выше, достигающим 60-65%. Комплексная выработка электроэнергии и тепла очень выгодна. Многим отраслям промышленности: химической, металлургической, текстильной, пищевой и др. тепло необходимо для технологических целей. Примерно 50% добываемого топлива расходуется на тепловые нужды предприятий. Отработанный в турбинах КЭС пар имеет температуру 25-30°С и давление около 0,04 бара (0,04-10~7МПа) и непригоден для использования в технологических целях на предприятиях. Требуется горячая вода и для отопления жилых зданий. Тепловая энергия в виде пара указанных параметров и горячей воды может производиться централизованно на ТЭЦ и в крупных котельных или децентрализованно на заводских мини-ТЭЦ и в индивидуальных котельных. На ТЭЦ для получения пара с необходимыми потребителю параметрами используют специальные турбины с промежуточными отборами пара. В них, после того как часть энергии пара израсходуется на приведение в движение турбины и параметры его понизятся, производится отбор некоторой доли пара для потребителей. Оставшаяся доля пара обычным способом используется в турбине для приведения ее во вращение и затем поступает в конденсатор. Поскольку для части пара перепад давления оказывается меньшим, то несколько возрастает расход топлива на выработку электроэнергии. Однако это увеличение в конечном счете меньше по сравнению с расходом топлива в случае раздельной выработки электрической энергии и тепла на небольших котельных. При сжигании топлива только для получения тепла, например для отопления, весь «температурный напор» примерно от 1500°С до 100°С, т.е. от температуры, получаемой при сжигании топлива, до температуры, нужной для отопления, никак не используется. Выгоднее использовать этот температурный интервал больше 1000°С для получения из тепловой энергии механической, а тепло (около 100°С) направить на отопление. Конечно, в этом случае механической энергии при том же количестве сжигаемого топлива получится меньше за счет повышения конечной температуры примерно на 70°С (с 30 до 100°С). Такое повышение необходимо для обеспечения температуры воды на нужды отопления. Горячая вода и пар под давлением до 3 МПа доставляются потребителям по трубопроводам. Совокупность трубопроводов для передачи тепла называется тепловой сетью. Передача тепла в виде пара неэкономична на расстояние более 5–7 км [15].

Централизованное теплоснабжение на базе комплексной выработки тепловой и электрической энергии обеспечивает в настоящее время основную долю потребности в тепле промышленного и жилищно-коммунального хозяйства, уменьшает расход топливно-энергетических ресурсов, а также материальных и трудовых затрат в системах теплоснабжения, имеет экологические преимущества. Однако при максимальной централизации теплоснабжения на ТЭЦ можно выработать только 25-30% требуемой электрической энергии. Работа же конденсационных станций определяется условиями выработки электроэнергии, которую технологически и экономически возможно передавать на значительные расстояния. Это делает благоприятным концентрацию больших электрических мощностей и позволяет быстро наращивать электроэнергетический потенциал страны. Поэтому в национальной энергетической системе необходимо и целесообразно сочетание КЭС и ТЭЦ.

В качестве весьма энергоэффективного решения снабжения крупных производств электроэнергией и теплом рассматриваются мини-ТЭЦ. Атомная электростанция (АЭС) по своей сути также является тепловой электростанцией. Однако вместо котла, где сжигается органическое топливо, используется ядерный реактор. Внутриядерная энергия превращается в тепловую энергию пара, которая затем – в механическую энергию вращения турбогенератора и в электрическую энергию. Наличие термодинамического цикла на АЭС ограничивает КПД этой станции, как и обычных тепловых станций. Недостаток АЭС заключается также в отсутствии маневренности: пуск и останов блоков и агрегатов этих станций требует значительных затрат времени и труда.

studfiles.net

Способы получения электричества

В данной статье поговорим о том, как получают электричество.

Блок-схема простого импульсного блока питания.

Основной и, пожалуй, самой главной частью любой электростанции, дающей электроэнергию, конечно, является электрогенератор. Это электрическое устройство способно превращать механическую работу в электричество. Внешне он похож на обычный электродвигатель, да и внутри несильно отличается.

Основной принцип действия и работа электрогенератора основаны на законе электромагнитной индукции Фарадея. Для выработки ЭДС необходимы два условия. Во-первых, это контур в виде медной обмотки и наличие магнитного потока, который, как правило, создается обычным магнитом либо дополнительной обмоткой.

Таким образом, для того чтобы появилось желаемая ЭДС на выходе электрогенератора, необходимо привести в движение магнит или обмотку относительно друг друга. Магнитный поток, пройдя сквозь контур, в результате и создаёт электричество. Причём скорость вращения напрямую влияет на величину вырабатываемого напряжения. Теперь, имея представление об электрогенераторе, нам всего лишь необходимо найти источник движения для него, то есть источники электроэнергии.

В 1882 году великий учёный Томас Эдисон запустил первую в мире тепловую электростанцию (ТЭС), работающую на паровом двигателе. В то время паровой двигатель был лучшим устройством для создания движения паровоза и производственного станка.

Основные природные источники энергии.

Конечно, электростанция тоже работала на пару. При нагревании воды в котле образуется пар высокого давления, который подавался на лопасти турбины либо цилиндр с поршнем, тем самым толкая его, в результате производя механическое движение за счет нагрева воды. В качестве топлива обычно используют уголь, мазут, природный газ, торф - одним словом, то, что хорошо горит.

Гидроэлектростанции - это специальные сооружения, построенные на местах падения реки и использующие её энергию для вращения электрогенератора. Пожалуй, это самый безвредный способ получения электроэнергии, поскольку не происходит сжигание топлива и возникновение вредных отходов.

Атомные электростанции - в принципе, очень похожи на тепловые, разница лишь в том, что в ТЭЦ используют горючее топливо для нагрева воды и получения пара, а в АЭС источником нагрева служит тепло, выделяемое при ядерной реакции. В реакторе находится радиоактивное вещество, как правило, уран, который при своём распаде выделяет большое количество теплоты и тем самым нагревает котёл с водой с последующим выделением пара для вращения турбины и электрогенератора.

С одной стороны, атомные электростанции очень выгодные, поскольку при своём малом количестве вещества способны выдавать много энергии. Но не всё так безоблачно. Хоть АЭС и предусматривает высокую степень безопасности, все же бывают и роковые ошибки, как Чернобыльская АЭС. Да и после отработки ядерного топлива отходы остаются, и их невозможно утилизировать.

http://fazaa.ru/youtu.be/5cx0nEjoNM8

Также существует большое множество и гораздо менее используемых источников электроэнергии, в отличие от основных. Это, например, ветряные электрогенераторы, которые обычную силу ветра превращают непосредственно в электрический ток.

В последнее время набирают весьма большую популярность солнечные батареи. Их работа основана на преобразовании солнечных лучей солнца, а точнее, его фотонов. Фотоэлемент состоит из двух тонких слоев полупроводникового материала, при попадании в границу соприкосновения двух полупроводников солнечной радиации возникает ЭДС, которая впоследствии может выдавать на своих выходных электродах электрический ток.

Поделитесь полезной статьей:

Top

fazaa.ru

Сравнительная характеристика различных способов производства электроэнергии (часть первая)

«Необходим объективный подход к ядерной энергетике. Обе стороны должны осознать неотъемлемое право на объективную, а не тактическую информацию, выгодную одной из сторон. Каждый должен сознательно идти на риск.

Обычно риск считается приемлемым, если при сравнении серьезности последствий его теоретическая вероятность намного ниже вероятности природных катастроф, которые рассматриваются как неизбежные и никогда не принимаются в расчет в повседневной жизни … Я не знаю другой области человеческой деятельности кроме атомной энергетики, где было бы так много сделано для оценки риска и гарантии безопасности».

Кардинал Х. Шверк (Швейцария) .

Введение.

Среди величайших достижений ХХ века наряду с генной и полупроводниковой технологиями открытие атомной энергии и овладение ею занимает особое место.

Человечество получило доступ к громадному и потенциально опасному источнику энергии, который нельзя ни закрыть, ни забыть, его нужно использовать не во вред, а на пользу человечеству.

У атомной энергии две «родовые» функции – военная, разрушительная и энергетическая – созидательная. По мере уничтожения устрашающих ядерных арсеналов, созданных в период холодной войны, атомная энергия будет проникать внутрь цивилизованного общества в виде тепла, электричества, медицинских изотопов, ядерных технологий, нашедших применение в промышленности, космосе, сельском хозяйстве, археологии, судебной медицине и т.д.

В XXI веке истощение энергоресурса уже не будет первым ограничивающим фактором. Главным становится фактор ограничения предела экологической емкости среды обитания.

Прогресс, достигнутый в превращении атомной энергии в безопасное, чистое и действенное средство удовлетворения растущих глобальных энергетических потребностей, не может быть достигнут никакой другой технологией, несмотря на привлекательность энергии ветра, солнца и других, «возобновляемых» источников энергии.

Однако бытующее в обществе представление об атомной энергии по-прежнему окутано мифами и страхами, которые абсолютно не соответствуют фактическому положению дел, и, в основном, опираются исключительно на чувства и эмоции.

В том случае, Когда голосованием предлагается решать вопросы об опасности там, где действуют законы природы ( по терминологии В.И.Вернадского, когда «общественное мнение» опережает «общественное понимание» ) , как это ни парадоксально , происходит преуменьшение экологической опасности.

Поэтому одной из важнейших задач, стоящих в настоящее время перед учеными, является задача достижения «общественного понимания» экологических проблем, в том числе – атомной энергетике.

Активность экологических движений должна приветствоваться, но она должна быть конструктивной, а не разрушительной.

Хорошо организованный и цивилизованный диалог между специалистами и общественностью, безусловно, полезен.

Цель нашего проекта – анализ информации, необходимой для выработки собственного осознанного отношения к проблемам развития энергетики вообще и атомной энергетики в частности.

Научно-технический прогресс, энергия и человеческое общество. Источники энергии.

Человечество живет в едином, взаимосвязанном мире, и наиболее серьезные энергетические, экологические и социально-экономические проблемы приобрели глобальный масштаб.

Развитие энергетике связано с развитием человеческого общества, научно-техническим прогрессом, который, с одной стороны, ведет к значительному подъему уровня жизни людей, но с другой оказывает воздействие на окружающую человека природную среду. К числу важнейших глобальных проблем относятся:

рост численности населения Земли и обеспечение его продовольствием;
обеспечение растущих потребностей мирового хозяйства в энергии и природных ресурсов;
охрана природной среды, в том числе и здоровья человека, от разрушительного антропогенного воздействия технического прогресса.

Такие экологические угрозы, как парниковый эффект и необратимые изменения климата, истощение озонового слоя, кислотные дожди (осадки ), сокращение биологического разнообразия, увеличение содержания токсичных веществ в окружающей среде, требуют новой стратегии развития человечества, предусматривающей согласованное функционирование экономики и экосистемы. Разумеется, потребности современного общества должны удовлетворяться с учётом потребности будущих поколений. Потребление энергии является одним из важных факторов развития экономики и уровня жизни людей. За последние 140 лет потребление энергии во всём мире возросло примерно в 20 раз, а численность населения планеты – в 4 раза (24).

С учётом темпов нынешнего роста численности населения и необходимости улучшения уровня жизни будущих поколений Мировой Энергетический Конгресс прогнозирует рост глобального потребления энергии на 50-100% к 2020 году и на 140-320% к 2050г. (3,25).

Что же такое энергия вообще? Согласно современным научным представлениям, энергия-это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии.

Энергия может проявляться в различных формах : кинетическая, потенциальная, химическая, электрическая, тепловая, ядерная.

Для удовлетворения нашей потребности в энергии существуют возобновляемые и невозобновляемые источники.

Солнце, ветер, гидроэнергия, приливы и некоторые другие источники энергии называют возобновляемыми потому, что их использование человеком практически не изменяет их запасы. Уголь, нефть, газ, торф, уран относятся к невозобнавляемым источникам энергии, и при переработке они теряются безвозвратно.

По прогнозам Международного энергетического агентства потребности в первичных энергоносителях в первом десятилетии ХХ1-го века будут удовлетворены в следующих соотношениях : нефть- не более 40%, газ- менее 24%, твёрдые виды топлива (в основном уголь ) – менее 30%, ядерная энергия -7%, гидроэнергетика – 7%, возобновляемые виды энергии – менее 1%. Региональное потребление первичных энергоносителей может иметь отклонения от мировых тенденций .

Основное количество энергии человечество получает и будет получать в ближайшем будущем, расходуя невозобновляемые источники.

Такие природные ресурсы, как: уголь, нефть, газ –практически невосстанавливаемые, не смотря на то, что их запасы на сегодняшний день во всем мире очень велики, но они все равно когда-либо закончатся. Самое главное то, что при работе ТЭС происходит отравление окружающей среды.

Широко бытующее утверждение об экологической «чистоте» возобновляемых источников энергии справедливо, лишь, если иметь в виду только конечную стадию – энергопроизводящую станцию. Из всех этих видов возобновляемых источников энергии только гидроэнергия в настоящий момент вносит серьёзный вклад во всемирное производство электроэнергии (17% ).

Гидроэнергетика.

В большинстве промышленно развитых стран незадействованным на сегодня остался лишь незначительный по объёму гидроэнергетический потенциал.

Так,в европейской части страны с наиболее напряжённым топливным балансом использование гидроэнергетических ресурсов достигло 50%, а их экономический потенциал практически исчерпан.

Гидроэнергетические сооружения в потенциале несут в себе опасность крупных катастроф. Так, в 1979 году авария на плотине в Морви (Индия) унесла около 15 тысяч жизней. В Европе в 1963 году авария плотины в Вайонт (Италия) привела к гибели 3 тысячи человек.

Неблагоприятное воздействие гидроэнергетики на окружающую среду, в основном, сводится к следующему : затопление с/х угодий и населённых пунктов, нарушение водного баланса, что ведёт к изменению существования флоры и фауны, климатические последствия (изменение теплового баланса, увеличение количества осадков, скорости ветра, облачности и т.д.).

Перегораживание русла реки приводит к заливанию водоёма и эрозии берегов, ухудшению самоочищения проточных вод и уменьшению содержания кислорода, затруднения свободное движение рыб.

С увеличением масштабов гидротехнического сооружения растёт и масштаб воздействия на окружающую среду.

Энергия ветра.

Энергия ветра в больших масштабах оказалась ненадёжной, неэкономичной и, главное, неспособной давать электроэнергию в нужных количествах.

Строительство ветряных установок усложняется необходимостью изготовления лопастей турбины больших размеров. Так, по проекту ФРГ установка мощностью 2-3 МВт должна иметь диаметр ветрового колеса 100м, причём она производит такой шум, что возникает необходимость отключения её в ночное время.

В штате Огайо была построена крупнейшая в мире ветросиловая установка 10МВт. Проработав несколько суток, была продана на слом по цене 10дол. За тонну. В радиусе нескольких километров жить стало невозможно из-за инфразвука, совпадающего с альфа-ритмом головного мозга, что вызывает психические заболевания.

К серьёзным негативным последствиям использование энергии ветра можно отнести помехи для воздушного сообщения и для распространения радио-и телеволн, нарушения путей миграции птиц, климатические изменения вследствие нарушения естественной циркуляции воздушных потоков.

Солнечная энергия.

Солнечная энергия. Техническое использование солнечной энергии осуществляется в нескольких формах: применение низко – и высокотемпературного оборудования, прямое преобразование солнечной энергии в электрическую на фотоэлектрическом оборудовании.

Принципиальными особенностями солнечного излучения являются огромные потенциальные ресурсы (в 4000 раз превышает прогнозируемые энергопотребности человечества в 2020 году ) и низкая интенсивность. Так, среднесуточная интенсивность солнечного излучения для средней полосы европейской части России составляет 150Вт/м , что в 1000раз меньше тепловых потоков в котлах ТЭС.

К сожалению, пока не видно, какими путями эти огромные потенциальные ресурсы можно реализовать в больших количествах. Одним из наиболее важных препятствий является низкая интенсивность солнечного излучения, что проблему необходимости концентрирования солнечной энергии в сотни раз ещё до того, как она превратится в тепло. Практическая реализация концентрации солнечной энергии требует отчуждения огромных земельных площадей. Для размещения солнечной электростанции (СЭС) мощностью 1000МВт (Эл) в средней полосе европейской части необходима площадь при 10%к.п.д. в 67км2. К этому надо добавить ещё и земли, которые потребуются отвести под различные промышленные предприятия, изготавливающие материалы для строительства и эксплуатации СЭС.

Следует подчеркнуть, что материалоёмкость, затраты времени и людских ресурсов в солнечной энергетике в 500 раз больше, чем в традиционной энергетике на органическом топливе и в атомной энергетике.

Действующая в Крыму СЭС мощностью 5 МВт потребила в 1988 году на собственные нужды в 20 раз больше энергии, чем произвела.

Геотермальная энергия

Отрицательными экологическими последствиями использования геотермальной энергии подземных источников горячей воды является возможность пробуждения сейсмической активности в районе электростанции, опасность локального оседания грунтов, эмиссия отравляющих газов (пары ртути, сероводорода, аммиака, двуокиси и окиси углерода, метана ), которые представляют опасность для человека, животных и растений.

Проведенные исследования показали, что возможная роль возобновляемых источников энергии не выходит за пределы вспомогательного энергоресурса, решающего региональные проблемы. Ресурсы таких источников, как гидроэнергетика, энергия ветра, морских волн и приливов, недостаточны. Солнечная энергетика и энергия геотермальная с теоретически неограниченными ресурсами характеризуются чрезвычайно низкой интенсивностью поступающей энергии.

Кроме того необходимо помнить, что с использованием новых видов энергии возникает и новый тип экологических последствий, которые могут привести к изменению природных условий в глобальных масштабах и которые пока в полной мере трудно представить. Исследования последних лет показали, что на определенные планы с термоядерным синтезом ( проект ИТЭР ) преждевременно рассчитывать.

Тепловые электростанции.

Тепловые электростанции (ТЭС) появились в конце 19-ого века почти одновременно в России, США и Германии, а вскоре и в других странах. Первая центральная электрическая станция была введена в эксплуатацию в Нью-Йорке в 1882 году для осветительных целей. Первая крупная тепловая электростанция с паровыми турбинами вступила в строй в 1906 году в Москве. Сегодня ни один более или менее крупный город не обходится без собственных электростанций. Тепловая электростанция – сложное и обширное хозяйство, порой она занимает территорию в 70 га, помимо главного корпуса, где размещаются энергоблоки, здесь располагаются различные вспомогательные производственные установки и сооружения, электрические распределительные устройства, лаборатории, мастерские, склады и т.д. Генераторы тепловых электростанций вырабатывают ток напряжением в десятки киловольт. Мощность теплоэлектростанций сегодня достигает сотен МВт. В США существует ТЭС мощностью 1,2-1,5 млн. кВт и более. В нашей стране от них поступает к потребителям наибольшая часть получаемой электроэнергии (69%). Особый вид тепловых электростанций – теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Эти предприятия производят энергию и тепло одновременно, поэтому коэффициент полезного действия используемого топлива у них достигает 70%, а у обычных тепловых электростанций лишь 30-35%. ТЭЦ всегда размещают вблизи потребителей – в крупных городах, так как передавать тепло (пар, горячую воду) без больших потерь можно максимум на 15-20 километров.

Размещение электростанций зависит от двух основных факторов – топливно-энергетических ресурсов и потребителей энергии, поэтому тепловые электростанции размещаются в районах топливных баз при наличии малокалорийного топлива – его не выгодно далеко перевозить. Например, Канско-Ачинский уголь использует Берёзовская ГРЭС-1 (ГРЭС – государственная районная электростанция). На попутном нефтяном газе работают две Сургутские электростанции. Если же электростанции используют высококалорийное топливо, которое выдерживает дальние перевозки (природный газ), они строятся ближе к местам потребления электроэнергии.

Тепловая энергетика оказывает огромное влияние на окружающую среду, загрязняет воду и атмосферный воздух. Самая грязная и экологически опасная – угольная электростанция. При мощности в 1 млрд. Вт она ежегодно выбрасывает в атмосферу 36,5 млрд. куб. метров горячих газов, содержащих пыль, вредные вещества и 100 млн. куб. метров пара. В отходы идут 50 млн. куб. метров сточных вод, в которых содержится 82 тонны серной кислоты, 26 тонн хлоридов, 41 тонна фосфатов и 500 тонн твёрдой извести. Ко всем этим выбросам необходимо добавить углекислый газ – результат сгорания угля. Наконец, остаётся 360 тысяч тонн золы, которую приходится складировать. В целом для работы угольной электростанции ежегодно требуется 1 млн. тонн угля, 150 млн. кубических метров воды и 30 млрд. кубических метров воздуха. Если учесть, что такие электростанции работают десятилетиями, то их воздействие на окружающую среду можно сравнить с вулканической деятельностью. Каждый крупный город имеет несколько подобных «вулканов». Например, энергией и теплом Москву обеспечивает 15 теплоэлектроцентралей. В течение 20-ого века тепловые электростанции существенно повысили концентрацию ряда газов в атмосфере. Так, концентрация углекислого газа выросла на 25% и продолжает ежегодно увеличиваться на 0,5%, вдвое выросла концентрация метана и увеличивается на 0,9% в год, постоянно растут концентрации оксидов азота и двуокиси серы. Насыщенный парами воздух разъедает здания и сооружения, ранее устойчивые соединения становятся неустойчивыми, нерастворимые вещества переходят в растворимые и т.д. Избыточное поступление питательных веществ в водоёмы ведёт к их ускоренному «старению», заболевают леса, повышается уровень напряжения электромагнитных полей. Всё это чрезвычайно негативно сказывается на здоровье людей, риск преждевременной смерти увеличивается. Кроме того, повышенное содержание углекислого газа и метана в атмосфере является одной из причин возникновения парникового эффекта.

Парниковый эффект.

Есть несколько точек зрения на эту проблему. Согласно недавним решениям ООН для улучшения климата Земли наиболее развитый государства, такие как США, Япония и страны Европейского союза, обязаны сократить к 2012 году объём выброса тепличных газов на 6% по сравнению с 1990 годом. Однако многие специалисты считают, что и этого недостаточно. Они настаивают на 60%, по их мнению, в борьбу должны включиться не только развитые страны, но и все остальные. Но есть и другая точка зрения: В 1997 году почти 1700 американских учёных подписали обращение к президенту страны, где поставили под сомнение сам подход к решению проблемы. Выбрасываемый промышленностью углекислый газ практически не влияет на климат, считают они. Вулканические извержения, другие природные катаклизмы поставляют подобных соединений куда больше. Например, учёные обратили внимание, что из подпочвенных слоёв тундры в последнее время стало выделяться больше углекислого газа и метана, чем прежде, а по оценкам учёных здесь содержится примерно треть всех земных углесодержащих газов. Было установлено, что с каждого кв. метра тундры вода уносит 5 граммов углесодержащих веществ, примерно половина из них растворяется в реках, озёрах, ручьях, а затем поступает в атмосферу, остальные уходят в Северный Ледовитый океан. Средняя температура поверхности Земли за последний год поднялась на полградуса, но, по словам экспертов, им потребуется несколько лет,

чтобы определить, свидетельствуют ли данные показатели об ускорении глобального потепления. По мнению учёных, парниковых эффект – результат того, что климат Земли постоянно меняется. Возможно, сейчас происходит потепление, так как заканчивается последний ледниковый период, а колебания климата связаны с солнечной активностью, появлением пятен, увеличением излучаемого тепла. Опасности, связанные с повышением концентрации углекислого газа в атмосфере состоят в повышении температуры Земли. Но общепринятые оценки метеорологов показывают, что повышение содержания углекислого газа в атмосфере приведёт к повышению температуры практически только в высоких широтах, особенно в Северном полушарии, причём в основном это потепление произойдёт зимой. По оценки специалистом Института сельхозметеорологии Роскомгидромета повышение концентрации этого газа в атмосфере в два раза приведёт к удвоению полезной сельскохозяйственной площади России, с 5 до 11 млн. кв. километров. В различных источниках также указываются возможные повышения уровня Мирового океана в пределах от 0,2 до 1,4м, многие утверждают, что скоро нас ожидает великий потоп. Но почти все ледники Северного полушария растаяли около 9 тысяч лет назад, осталась только Гренландия. Но и она вместе со льдами Северного Ледовитого океана не повысит при таянии уровень Мирового океана даже на 1мм.

Основные показатели стран, развивающих теплоэнергетику

Показатель	Франция	Швеция	Япония	Германия	Великобритания	США	Россия
На душу населения, т
Диоксид углерода CO2	5.6	6.74	1.5	1.8	1.28	2.56	0.7
Оксид серы, SO2	0,13	0,16	0,04	0,04	0,02	0,06	0,01
Оксид азота, NOx	0,08	0,1	0,02	0,02	0,02	0,03	0,005
Зола	0,42	0,4	0,13	0,12	0,1	0,17	0,06
Шлаки	0,08	0,08	0,02	0,02	0,02	0,03	0,01
Зола, не улавливаемая фильтрами	0,004	0,004	0,001	0,001	0,001	0,001	0,0006
Высвобождённые радионуклиды, Ки	13,7	15,1	3,4	3,9	2,8	5,8	1,75

Из таблицы совершенно очевидно, что все ведущие страны, даже при очень развитой технологии, не могут избавиться от огромных выбросов, отравляющих атмосферу. Оксид серы, диоксид углерода, способствуют развитию сердечнососудистых и онкологических заболеваний, которые по смертности являются ведущими в мире. Обращает на себя внимание тот факт, что при работе ТЭС так же, как и при работе АЭС, образуются радионуклиды, которые на ТЭС никак не улавливаются.

Приливные электростанции.

Уровень воды в течение суток меняет 4 раза, такие колебания особенно заметны в заливах и устьях рек, впадающих в море. Для устройства простейшей приливной электростанции (ПЭС) нужен бассейн – перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены турбины. ПЭС двустороннего действия (турбины работают при движении воды из моря в бассейн и обратно) способны вырабатывать электроэнергию непрерывно в течение 4-5 часов с перерывами в 1-2 часа четыре раза в сутки.

Первая приливная электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 году во Франции в устье реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2,5 раза превосходит расходы на возведение ГЭС такой же мощности, первый опыт эксплуатации приливной электростанции оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и эффективно используется. В 1968 году на Баренцевом море вступила в строй опытно-промышленная ПЭС проектной мощностью 800 кВт. Место её строительства – Кислая губа представляет собой узкий залив шириной 150 м и длиной 450 м. Существуют проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется также использовать огромный энергетический потенциал Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12,9 м, а в Гижигинской губе – 12-14 м. В 1985 году была пущена в эксплуатацию ПЭС в заливе Фанди в Канаде мощностью 20 МВт (амплитуда приливов здесь составляет 19,6 м). В Китае построены три приливные электростанции небольшой мощности. В Великобритании разрабатывается проект ПЭС мощностью 1000 МВт в устье реки Северн, где средняя амплитуда приливов составляет 16,3 м.

С точки зрения экологии ПЭС имеют бесспорное преимущество перед тепловыми электростанциями, сжигающими нефть и каменный уголь. Благоприятные предпосылки для более широкого использования энергии морских приливов связаны с возможностью применения недавно созданной геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на их строительство. Первые бесплотинные ПЭС намечено соорудить в ближайшие годы в Южной Корее.

Солнечные космические электростанции.

Получать и использовать «чистую» солнечную энергию на поверхности Земли мешает атмосфера, поэтому появляются проекты размещения солнечных электростанций в космосе, на околоземной орбите. У таких станций есть несколько достоинств: невесомость позволяет создать многокилометровые конструкции, которые необходимы для получения энергии; преобразование одного вида энергии в другой неизбежно сопровождается выделением тепла, и сброс его в космос позволит предотвратить опасное перегревание земной атмосферы.

К проектированию солнечных космических электростанций (СКЭС) конструкторы приступили ещё в конце 60-ых годов 20-ого века. Было предложено несколько вариантов транспортировки энергии из космоса на Землю, но наиболее рациональным было признано предложение использовать её на месте выработки, для этого необходимо перенести основных потребителей электроэнергии (металлургия, машиностроение, химическая промышленность) на спутник Земли Луну или астероиды. Любой вариант СКЭС предполагает, что это колоссальное сооружение, причём не одно. Даже самая маленькая СКЭС должна весить десятки тысяч тонн. Современные средства выведения в состоянии доставить на низкую – опорную орбиту необходимое количество блоков, узлов и панелей солнечных батарей.

Строительство солнечных космических электростанций сейчас кажется фантастикой, но в скором времени, возможно, появится первая СКЭС, которая даст начало новому уровню развития энергетики.

www.atomic-energy.ru

Как осуществляется производство (генерация) электрической энергии?

Производство (Генерация) электроэнергии — это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями. В настоящее время существуют следующие виды генерации:

Тепловая электроэнергетика. В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух основных видов:

Конденсационные (КЭС, также используется старая аббревиатура ГРЭС). Конденсационной называют не комбинированную выработку электрической энергии;

Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ). Теплофикацией называется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на одной и той же станции;

КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл, в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину, где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора — таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть. Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения;

Ядерная энергетика. К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе. Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д. Из-за некоторых конструктивных особенностей АЭС нерентабельно использовать в комбинированной выработке, хотя отдельные эксперименты в этом направлении проводились;

Гидроэнергетика. К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы;

Альтернативная энергетика. К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:

Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;

Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;

Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;

Геотермальная энергетика — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны;

Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах;

Стоит также отметить альтернативные виды гидроэнергетики: приливную и волновую энергетику. В этих случаях используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. Распространению этих видов электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы (и волнение моря соответственно) были бы достаточно сильны и постоянны. Например, побережье Чёрного моря не годится для строительства приливных электростанций, так как перепады уровня воды Чёрном море в прилив и отлив минимальны.

Вернуться назад

kt.tatarstan.ru

Производство, передача и использование электроэнергии

«Физика - 11 класс»

Производство электроэнергии

Производится электроэнергия на электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов. Существует два основных типа электростанций: тепловые и гидроэлектрические. Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов.

На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания.

Тепловые паротурбинные электростанции - ТЭС наиболее экономичны.

В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора. Паровые турбогенераторы весьма быстроходны: число оборотов ротора составляет несколько тысяч в минуту.

КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением начальной температуры рабочего тела (пара, газа). Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

Тепловые электростанции — ТЭЦ позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд. В результате КПД ТЭЦ достигает 60—70%. В России ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и снабжают электроэнергией сотни городов.

На гидроэлектростанциях - ГЭС для вращения роторов генераторов используется потенциальная энергия воды.

Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Мощность такой станции зависит от создаваемого плотиной напора и массы воды, проходящей через турбину в каждую секунду.

Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.

Атомные электростанции - АЭС в России дают около 10% электроэнергии.

Использование электроэнергии

Главным потребителем электроэнергии является промышленность - 70% производимой электроэнергии. Крупным потребителем является также транспорт.

Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию, т.к. почти все механизмы в промышленности приводятся в движение электрическими двигателями.

Передача электроэнергии

Электроэнергию не удается консервировать в болыпих масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.

Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля — Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой

где R — сопротивление линии, U — передаваемое напряжение, Р — мощность источника тока.

При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить сопротивление линии R практически весьма трудно, поэтому приходится уменьшать силу тока I.

Так как мощность источника тока Р равна произведению силы тока I на напряжение U, то для уменьшения передаваемой мощности нужно повысить передаваемое напряжение в линии передачи.

Для этого на крупных электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько раз уменьшает силу тока.

Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Генераторы переменного тока настраивают на напряжения, не превышающие 16—20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.

Далее для непосредственного использования электроэнергии потребителем необходимо понижать напряжение.

Это достигается с помощью понижающих трансформаторов.

Понижение напряжения (и соответственно увеличение силы тока) осуществляются поэтапно.

При очень высоком напряжении между проводами может начаться разряд, приводящий к потерям энергии. Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными.

Электрические станции объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой подключены потребители. Такое объединение, называемое энергосистемой, дает возможность распределять нагрузки потребления энергии. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям. Сейчас в нашей стране действует Единая энергетическая система европейской части страны.

Использование электроэнергии

Потребность в электроэнергии постоянно увеличивается как в промышленности, на транспорте, в научных учреждениях, так и в быту. Удовлетворить эту потребность можно двумя основными способами.

Первый — строительство новых мощных электростанций: тепловых, гидравлических и атомных. Однако строительство крупной электростанции требует нескольких лет и больших затрат. Кроме того, тепловые электростанции потребляют невозобновляемые природные ресурсы: уголь, нефть и газ. Одновременно они наносят большой ущерб равновесию на нашей планете. Передовые технологии позволяют удовлетворить потребности в электроэнергии другим способом.

Второй - эффективное использование электроэнергии: современные люминесцентные лампы, экономия освещения.

Большие надежды возлагаются на получение энергии с помощью управляемых термоядерных реакций.

Приоритет должен быть отдан увеличению эффективности использования электроэнергии, а не повышению мощности электростанций.

Источник: «Физика - 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Производство, передача и использование электрической энергии. Физика, учебник для 11 класса - Класс!ная физика

Генерирование электрической энергии --- Трансформаторы --- Производство, передача и использование электрической энергии

Устали? - Отдыхаем!

Вверх

class-fizika.ru

Как выробатывается электроэнергия - Выработка электроэнергии - Промышленная энергетика - Каталог статей

Электрическая энергия давно вошла в нашу жизнь, без электроэнергии современный человек не может обойтись и дня; приготовить пищу, получить и отправить информацию, поддерживать комфортную температуру в желище. Еще греческий философ Фалес в 7 веке до нашей эры обнаружил, что янтарь, потертый о шерсть начинает притягивать предметы. Но долгое время на этот факт никто не обращал внимание. Лишь в 1600 году впервые появился термин «Электричество», а в 1650 году Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. Это была первая простейшая электростатическая машина.

Прошло много лет с тех пор, но даже сегодня, в мире, заполненном терабайтами информации, когда можно самому узнать все, что тебя интересует, для многих остается загадкой как производится электричество, как его доставляют к нам в дом, офис, на предприятие…

В несколько частей рассмотрим эти процессы.

Часть I. Генерация электрической энергии.

Откуда же берется электрическая энергия? Появляется эта энергия из других видов энергии – тепловой, механической, ядерной, химической и многих других. В промышленных масштабах электрическую энергию получают на электростанциях. Рассмотрим только самые распространенные виды электростанций.

1) Тепловые электростанции. Сегодня из можно объединить одним термином – ГРЭС (Государственная Районная Электростанция). Конечно, сегодня этот термин потерял первоначальный смысл, но он не ушел в вечность, а остался с нами.

Тепловые электростанции делятся на несколько подтипов:

А) Конденсационная электростанция (КЭС) — тепловая электростанция, производящая только электрическую энергию, своим названием этот тип электростанций обязан особенностям принципа работы.

Рис.1

Принцип работы: В котел при помощи насосов подается воздух и топливо (газообразное, жидкое или твердое). Получается топливо-воздушная смесь, которая горит в топке котла, выделяя огромное количество теплоты. При этом вода проходит по трубной системе, которая располагается внутри котла. Выделяющаяся теплота передается этой воде, при этом ее температура повышается и доводиться до кипения. Пар, который был получен в котле снова идет в котел для перегревания его выше температуры кипения воды (при данном давлении), затем по паропроводам он поступает на паровую турбину, в которой пар совершает работу. При этом он расширяется, уменьшается его температура и давление. Таким образом, потенциальная энергия пара передается турбине, а значит, превращается в кинетическую. Турбина же в свою очередь приводит в движение ротор трехфазного генератора переменного тока, который находиться на одном валу с турбиной и производит энергию.

Рассмотрим некоторые элементы КЭС поближе.

Паровая турбина.

Рис.2

Поток водяного пара поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на них, приводит ротор во вращение. Между рядами лопаток, как видите, есть промежутки. Они есть потому, что этот ротор вынут из корпуса. В корпус тоже встроены ряды лопаток, но они неподвижны и служат для создания нужного угла падения пара на движущиеся лопатки.

Конденсационные паровые турбины служат для превращения максимально возможной части теплоты пара в механическую работу. Они работают с выпуском (выхлопом) отработавшего пара в конденсатор, в котором поддерживается вакуум.

Турбина и генератор, которые находятся на одном валу называются турбогенератором. Трехфазный генератор переменного тока (синхронная машина).

Рис.3

Он состоит из:

Электромагнита, вращающегося вместе с валом турбогенератора (это обмотка возбуждения). На данном рисунке электромагнит имеет 1 пару полюсов, а это значит, что для того, чтобы генератор выдавал частоту тока 50 Гц, он должен вращаться с частотой 3000 об/мин. (такие турбогенераторы называют быстроходными). Если бы было 2 пары полюсов, то достаточно было бы вращение с частотой 1500 об/мин, и так далее. Чем больше пар полюсов, тем больше становиться турбогенератор. Оптимальную частоту выбирают исходя из параметров теплоносителя. На КЭС устанавливают, в основном, быстроходные турбогенераторы.
3-х обмоток статора, смещенных относительно друг друга на 120 градусов. Каждая обмотка – это фаза. Концы этих обмоток соединяются специальным образом
Рис.4

(обычно в треугольник, а начала выводятся. По токопроводам выработанная энергия (с номинальным напряжением до 24 кВ) поступает на повышающий трехфазный трансформатор (или на группу 3-х однофазных трансформаторов.

Рис. 5,6

Который повышает напряжение до стандартного значения (35-110-220-330-500-750 кВ). При этом ток значительно уменьшается (например, при увеличении напряжения в 2 раза, ток уменьшается в 4 раза), что позволяет передавать мощность на большие расстояния. Следует отметить, что когда мы говорим о классе напряжения, то мы имеем в виду линейное (междуфазное) напряжение.

Активную мощность, которую вырабатывает генератор, регулируют изменением количеством энергоносителя, при этом изменяется ток в обмотке ротора. Для увеличения выдаваемой активной мощности нужно увеличить подачу пара на турбину, при этом ток в обмотке ротора возрастет. Не следует забывать, что генератор синхронный, а это значит, что его частота всегда равна частоте тока в энергосистеме, и изменение параметров энергоносителя не повлияет на частоту его вращения.

Кроме того, генератор вырабатывает и реактивную мощность. Ее можно использовать для регулирования выдаваемого напряжения в небольших пределах (т.е. это не основное средство регулирования напряжения в энергосистеме). Работает это таким образом. При перевозбуждении обмотки ротора, т.е. при повышении напряжения на роторе сверх номинала, «излишек» реактивной мощности выдается в энергосистему, а когда обмотку ротора недовозбуждают, то реактивная мощность потребляется генератором.

Таким образом, в переменном токе мы говорим о полной мощности (измеряется в вольт-амперах – ВА), которая равна корню квадратному от суммы активной (измеряется в ваттах – Вт) и реактивной (измеряется в вольт-амперах реактивных – ВАР) мощностях.

Вода в водохранилище служит для отведения тепла от конденсатора. Однако, часто для этих целей используют брызгальные бассейны

Рис.7

или градирни. Градирни бывают башенными Рис.8

или вентиляторными Рис.9

Градирни устроены почти так же как и брызгальные бассейны, с тем лишь различием, что вода стекает по радиаторам, передает им тепло, а уже они охлаждаются нагнетаемым воздухом. При этом часть воды испаряется и уноситься в атмосферу.КПД такой электростанции не превышает 30%.

Б) Газотурбинная электростанция.Парогазовые установки.

На газотурбинной электростанции турбогенератор приводиться в движение не паром, а непосредственно газами, получаемыми при сгорании топлива. При этом можно использовать только природный газ, иначе турбина быстро выйдет из стоя из-за ее загрязнения продуктами горения. КПД на максимальной нагрузке 25-33%

Гораздо больший КПД (до 60%) можно получить, совмещая паровой и газовый циклы. Такие установки называются парогазовыми. В них вместо обычного котла установлен котел-утилизатор, не имеющий собственных горелок. Теплоту он получает от выхлопа газовой турбины. В настоящее время ПГУ активнейшим образом внедряются в нашу жизнь, но пока в России их немного.

В) Теплоэлектроцентрали (очень давно стали неотъемлемой частью крупных городов). Рис.11

ТЭЦ конструктивно устроена как конденсационная электростанция (КЭС). Особенность электростанции такого типа состоит в том, что она может вырабатывать одновременно как тепловую, так и электрическую энергию. В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные способы отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами. При этом часть пара или полностью весь пар (зависит от типа турбины) поступает в сетевой подогреватель, отдает ему теплоту и конденсируется там. Теплофикационные турбины позволяют регулировать количество пара для тепловых или промышленных нужд что позволяет ТЭЦ работать в нескольких режимах по нагрузке:

тепловому — выработка электрической энергии полностью зависит от выработки пара для промышленных или теплофикационных нужд.

электрическому — электрическая нагрузка независима от тепловой. Кроме того, ТЭЦ могут работать и в полностью конденсационном режиме. Это может потребоваться, например, при резком дефиците активной мощности летом. Такой режим является невыгодным для ТЭЦ, т.к. значительно снижается КПД.

Одновременное производство электрической энергии и тепла (когенерация) – выгодный процесс, при котором КПД станции существенно повышается. Так, например, расчетный КПД КЭС составляет максимум 30%, а у ТЭЦ – около 80%. Плюс ко всему, когенерация позволяет уменьшить холостые тепловые выбросы, что положительно сказывается на экологии местности, в которой расположена ТЭЦ (по сравнению с тем, если бы тут была КЭС аналогичной мощности).

Рассмотрим подробнее паровую турбину.

К теплофикационным паровым турбинам относятся турбины с:

-противодавлением;

-регулируемым отбором пара;

-отбором и противодавлением.

Турбины с противодавлением работают с выхлопом пара не в конденсатор, как у КЭС, а в сетевой подогреватель, то есть весь пар, пошедший через турбину, идет на теплофикационные нужды. Конструкция таких турбин обладает существенным недостатком: график электрической нагрузки полностью зависит от графика тепловой нагрузки, то есть такие аппараты не могут принимать участия в оперативном регулировании частоты тока в энергосистеме.

В турбинах, имеющих регулируемый отбор пара, происходит его отбор в нужном количестве в промежуточных ступенях, при этом выбирают такие ступени для отбора пара, какие подходят в данном случае. Такой тип турбины обладает независимостью от тепловой нагрузки и регулирование выдаваемой активной мощности можно регулировать в больших пределах, чем у ТЭЦ с противодавлением.

Турбины с отбором и противодавлением совмещают в себе функции первых двух видов турбин.

Теплофикационные турбины ТЭЦ не всегда не способны за малый промежуток времени изменить тепловую нагрузку. Для покрытия пиков нагрузки ,а иногда и для увеличения электрической мощности путем перевода турбин в конденсационный режим, на ТЭЦ устанавливают пиковые водогрейные котлы.

2) Атомные электростанции.

В России на настоящий момент существует 3 вида реакторных установок. Общий принцип их работы примерно похож на работу КЭС (в былые времена АЭС называли ГРЭС). Принципиальное различие состоит лишь в том, что тепловую энергию получают не в котлах на органическом топливе, а в ядерных реакторах.

Рассмотрим две самых распространенных типов реакторов в России.

1) Реактор РБМК.

Рис.12

Отличительная особенность этого реактора состоит в том, что пар для вращения турбины получают непосредственно в активной зоне реактора.

Активная зона РБМК. Рис.13

состоит из вертикальных графитовых колонн, в которых находятся продольные отверстия, с вставленными туда трубами из циркониевого сплава и нержавеющей стали. Графит выполняет роль замедлителя нейтронов. Все каналы делятся на топливные и каналы СУЗ (система управления и защиты). Они имеют разные контуры охлаждения. В топливные каналы вставляют кассету (ТВС – тепловыделяющую сборку) со стержнями (ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент) внутри которых находятся урановые таблетки в герметичной оболочке. Понятно, что именно от них получают тепловую энергию, которая передается непрерывно циркулирующему снизу вверх теплоносителю под большим давлением – обычной, но очень хорошо очищенной от примесей воде.

Рис.14

Вода, проходя по топливным каналам, частично испаряется , пароводяная смесь поступает от всех отдельных топливных каналов в 2 барабан-сепаратора, где происходит отделение (сепарация) пара от воды. Вода снова уходит в реактор с помощью циркуляционных насосов (всего из 4 на петлю), а пар по паропроводам идет на 2 турбины. Затем пар конденсируется в конденсаторе, превращается в воду, которая снова идет в реактор.

Тепловой мощностью реактора управляют только с помощью стержней-поглотителей нейтронов из бора, которые перемещаются в каналах СУЗ. Вода, охлаждающая эти каналы идет сверху вниз.

Как вы могли заметить, я еще ни разу не сказал про корпус реактора. Дело в том, что фактически у РБМК нет корпуса. Активная зона про которую я вам сейчас рассказывал помещена в бетонную шахту, сверху она закрыта крышкой весом в 2000 тонн.

Рис.15

На приведенном рисунке видна верхняя биологическая защита реактора. Но не стоит ожидать, что приподняв один из блоков, можно будет увидеть желто-зеленое жерло активной зоны, нет. Сама крышка располагается значительно ниже, а над ней, в пространстве до верхней биологической защиты остается промежуток для коммуникаций каналов и полностью извлеченных стержней поглотителей.

Между графитовыми колоннами оставляют пространство для теплового расширения графита. В этом пространстве циркулирует смесь газов азота и гелия. По ее составу судят о герметичности топливных каналов. Активная зона РБМК рассчитана на разрыв не более 5 каналов, если разгерметизируется больше – произойдет отрыв крышки реактора и раскрытие остальных каналов. Такое развитие событий вызовет повторение Чернобыльской трагедии (тут я имею в виду не саму техногенную катастрофу, а ее последствия).

Рассмотрим плюсы РБМК:

–Благодаря поканальному регулированию тепловой мощности есть возможность менять топливные сборки, не останавливая реактор. Каждый день, обычно, меняют несколько сборок.

–Низкое давление в КМПЦ (контур многократной принудительной циркуляции), что способствует более мягкому протеканию аварий, связанных с его разгерметизацией.

–Отсутствие сложного в изготовлении корпуса реактора.

Рассмотрим минусы РБМК:

–В ходе эксплуатации были обнаружены многочисленные просчеты в геометрии активной зоны, устранить которые на действующих энергоблоках 1-го и 2-го поколений (Ленинград, Курск, Чернобыль, Смоленск) полностью не возможно. Энергоблоки РБМК 3-его поколения (он один – на 3 энергоблоке Смоленской АЭС) лишен этих недостатков.

–Реактор одноконтурный. То есть турбины вращает пар, полученный непосредственно в реакторе. А это значит, что он содержит радиоактивные компоненты. При разгерметизации турбины (а такое было на Чернобыльской АЭС в 1993 году) ее ремонт будет сильно усложнен, а, может быть, и невозможен.

–Срок службы реактора определяется сроком службы графита (30-40 лет). Затем наступает его деградация, проявляющаяся в его разбухании. Этот процесс уже вызывает серьезные опасения на старейшем энергоблоке РБМК Ленинград-1, построенном в 1973 году (ему уже 39 лет). Наиболее вероятный выход из ситуации – заглушение n-нного количества каналов для уменьшения теплового расширения графита.

–Графитовый замедлитель является горючим материалом.

–Ввиду огромного количества запорной арматуры, реактор сложен в управлении.

– На 1 и 2 поколениях существует неустойчивость при работе на малых мощностях.

В целом можно сказать, что РБМК – хороший реактор для своего времени. В настоящее время принято решение не строить энергоблоки с этим типом реакторов.

2) Реактор ВВЭР.

Рис. 16

На смену РБМК в настоящее время приходит ВВЭР. Он обладает значительными плюсами по сравнению с РБМК.

Активная зона полностью находиться в очень прочном корпусе, который изготавливают на заводе и привозят железнодорожным, а затем и автомобильным транспортом на строящийся энергоблок в полностью готовом виде. Замедлителем является чистая вода под давлением. Реактор состоит из 2-х контуров: вода первого контура под большим давлением охлаждает топливные сборки, передавая тепло 2-му контуру с помощью парогенератора (выполняет функцию теплообменника между 2-ми изолированными контурами). В нем вода второго контура кипит, превращается в пар и идет на турбину. В первом контуре вода не кипит, так как она находиться под очень большим давлением. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе и снова идет в парогенератор. Двухконтурная схема обладает значительными плюсами по сравнению с одноконтурной:

-Пар, идущий на турбину не радиоктивен.

-Мощностью реактора можно управлять не только стержнями-поглотителями, но и раствором борной кислоты, что делает реактор более устойчивым.

-Элементы первого контура располагаются очень близко друг от друга, поэтому их можно поместить в общую защитную оболочку. При разрывах в первом контуре радиоактивные элементы попадут в гермооболочку и не выйдут в окружающую среду. Кроме того гермооболочка защищает реактор от внешнего воздействия (например от падения небольшого самолета или взрыва за периметром станции).

-Реактор не сложен в управлении.

Имеются так же и минусы:

–В отличие от РБМК, топливо нельзя менять при работающем реакторе, т.к. оно находиться в общем корпусе, а не в отдельных каналах, как в РБМК. Время перезагрузки топлива обычно совпадает со временем текущего ремонта, что уменьшает воздействие этого фактора на КИУМ (коэффициент используемой установленной мощности).

–Первый контур находиться под большим давлением, что потенциально может вызвать больший масштаб аварии при разгерметизации, чем РБМК.

–Корпус реактора очень сложно перевезти с завода-изготовителя на стройплощадку АЭС.

Что же, работу тепловых электростанций мы рассмотрели, теперь рассмотрим работугидравлических электростанций.

Рис.17

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию. ГЭС обладают очень высокой маневренностью вырабатываемой мощности, а также малой стоимостью вырабатываемой электроэнергии. Эта особенность ГЭС привела с созданию другого типа электростанции – ГАЭС. Такие станции способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (обычно ночью), гидроагрегаты ГАЭС работают как насосы, потребляя электрическую энергию из энергосистемы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность (в пики нагрузки), вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины. ГАЭС выполняют исключительно важную функцию в энергосистеме (регулирование частоты), но они не получают широкого распространения у нас в стране, т.к. в итоге они потребляют больше мощности, чем выдают. То есть станция такого типа убыточна для владельца. Например, на Загорской ГАЭС мощность гидрогенераторов в генераторном режиме 1200 МВт, а в насосном – 1320 МВт. Однако такой тип станции наилучшем образом подходит для быстрого увеличения или уменьшения вырабатываемой мощности, поэтому их выгодно сооружать около, например, АЭС, так как последние работают в базовом режиме.

Мы с вами рассмотрели как именно производиться электрическая энергия. Пора задать себе серьезный вопрос: «А какой тип станций наилучшем образом отвечает всем современным требованиям по надежности, экологичности, а кроме этого, еще и будет отличаться малой стоимостью энергии?» Каждый ответит на этот вопрос по-разному. Приведу свой список «лучших из лучших».

1) ТЭЦ на природном газе. КПД таких станций очень высок, высока и стоимость топлива, но природный газ – один из самых «чистых» видов топлива, а это очень важно для экологии города, в черте которых обычно и располагаются ТЭЦ.

2) ГЭС и ГАЭС. Преимущества над тепловыми станциями очевидно, так как этот тип станции не загрязняет атмосферу и производит самую «дешевую» энергию, которая плюс ко всему является возобновляемым ресурсом.

3) ПГУ на природном газе. Самый высокий КПД среди тепловых станций, а так же малое количество потребляемого топлива, позволит частично решить проблему теплового загрязнения биосферы и ограниченных запасов ископаемого топлива.

4) АЭС. В нормальном режиме работы АЭС выбрасывает в окружающую среду в 3-5 раз меньше радиоактивных веществ, чем тепловая станция той же мощности, поэтому частичное замещения тепловых электростанций атомными вполне оправдано.

5) ГРЭС. В настоящее время на таких станциях в качестве топлива используют природный газ. Это является абсолютно бессмысленным, так как с тем же успехов в топках ГРЭС можно утилизировать попутный нефтяной газ (ПНГ) или сжигать уголь, запасы которого огромны, по сравнению с запасами природного газа.

electrik.clan.su

Производство электроэнергии

На сегодняшний день мы уже не можем представить свою жизнь без электричества. Практически все приборы работают от питания электроэнергией, и даже те, которые её вырабатывают.

Существует несколько типов электростанций – ТЭС, ГЭС, АЭС, БЭС, ПЭС и др., и источников, из которых мы научились получать так необходимую нам энергию. В начале освоения энергетики основным сырьём для производства являлся каменный уголь. Сейчас же, спустя столетие, мы научились производить электроэнергию, используя и другие ресурсы.

Производство электроэнергии в мире

Лидирующей страной по производству электроэнергии в мире является США. На втором месте Китай. Затем Европейский союз, Россия, Япония. В наше время производство электроэнергии тепловыми электростанциями в основном происходит с использованием нефти, а точнее, ее фракции, именуемой как мазут. Но его использование постепенно сокращается. Так как мы живём в непростое для всего мира в экологическом отношении время, на смену приходит более «чистое» производство электроэнергии.

Одной из первых была освоена ветровая энергия. На земле постоянно везде и повсюду дуют ветра. А значит, условия для развития ветроэнергетики более чем благоприятны. Это экологически чистое и легкодоступное производство.

Ещё одним альтернативным вариантом является производство электроэнергии при помощи солнца. Интерес к данному вопросу значительно вырос в последнее время и продолжает расти. Многие умы трудятся над тем, чтобы получение электроэнергии с помощью солнечных батарей стало более выгодным. Конечно, в разных странах производство электроэнергии развито по-разному. И если гелиостанции для переработки солнечной энергии в России подходят только для некоторых южных регионов, то, к примеру, Южная Америка может использовать данное производство на полную мощь. То же касается и использования ветроэнергетики. В некоторых странах пока на начальном этапе развития находятся геотермальные станции, которые используют энергию, выделяющуюся из земли в вулканических зонах. В обслуживании такие электростанции достаточно экономичны, но сама постройка таких объектов дорога.

Передача электроэнергии

Одной из важнейших задач энергетики является производство и передача электроэнергии к потребителю. А потребители имеются повсюду. Поскольку электроэнергия вырабатывается лишь в определённых местах, возникает потребность передачи её на большие расстояния. Для передачи электроэнергии в основном используются ЛЭП – воздушные линии электропередач. Известно, что при передаче электроэнергии на большие расстояния происходят заметные ее потери. При значительном расстоянии до потребителя передача может стать вообще невыгодной. Для того чтобы сохранить передаваемую мощность, необходимо повысить напряжение в линии электропередачи. При этом чем больше расстояние, тем выше должно быть напряжение. Именно для этого на электростанциях устанавливают увеличивающие напряжение трансформаторы.

Существует также «закрытая» электропередача. Она представляет собой замкнутую конструкцию, заполненную электроизолирующим газом. Внутри располагаются провода под высоким напряжением.

Но не всегда выгодна даже такая передача электроэнергии. В некоторых случаях, а именно при очень больших расстояниях, целесообразней перевозить топливо для производства по железной дороге: уголь - в ёмких вагонах, а мазут - в цистернах.

Если говорить о будущем, то поскольку нефть достаточно нестабильна в отношении цен, да и запасов становится в разы меньше, вскоре мы снова вернёмся к преимущественному использованию каменного угля для производства электроэнергии.

fb.ru