Традиционные источники электрической энергии

Традиционную энергетику главным образом разделяют на электроэнергетику и теплоэнергетику.

Наиболее удобный вид энергии — электрическая, которая может считаться основой цивилизации. Преобразование первичной энергии в электрическую производится на электрос­танциях: ТЭС, ГЭС, АЭС.

Производство энергии необходимого вида и снабжение ею по­требителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить пять стадий:

Получение и концентрация энергетических ресурсов: до­быча и обогащение топлива, концентрация напора воды с помощью гидротехнических сооружений и т.д.

Передача энергетических ресурсов к установкам, преоб­разующим энергию; она осуществляется путем перевозок по суше и воде или перекачки по трубопроводам воды, нефти, газа и т.д.

форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной.

Потребителями энергии являются: промышленность, транспорт, сельское хозяйство, жилищно-коммунальное хозяйство, сфера быта и обслуживания.

Если общую энергию применяемых первичных энергоресур­сов принять за 100 %, то полезно используемая энергия составит только 35-40 %, остальная часть теряется, причем большая часть - в виде теплоты.

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 на них преобразуются:

ТЭС - тепловая электростанция - преобразует тепловую энергию в электрическую;

ГЭС - гидроэлектростанция - преобразует механическую энергию движения воды в электрическую;

ГАЭС - гидроаккумулирующая электростанция – 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 океанических приливов и отливов в электрическую;

ВЭС - ветряная электростанция - преобразует энергию ветра в электрическую;

СЭС - солнечная электростанция - преобразует энергию солнечного света в электрическую.

В Беларуси более 95 % энергии вырабатывается на ТЭС. По­этому рассмотрим процесс преобразования энергии на ТЭС подроб­нее. По назначению ТЭС делятся на два типа:

КЭС - конденсационные тепловые электростанции, выраба­тывающие только электрическую энергию;

ТЭЦ - теплоэлектроцентрали, на которых осуществляется совместное производство электрической и тепловой энергии.

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 (уголь, сланцы, торф) или жид­кого топлива (нефть, мазут). На рис. 2.2 представлена принципиальная схема тепловой электростанции.

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.

Конденсатор отработанного пара

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 соединять их непосредственно друг с дру­гом. Паровые турбины обладают равномерным ходом, что важно для получения постоянной частоты электрическо­го

тока.

Конденсатор отработ. пара

Рис.2.2 Принципиальная схема тепловой электростанции

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 энергию, 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 энергии. 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 по­требителей тепла. Схема ТЭЦ отличается от КЭС тем, что по ней, помимо электрической энер­гии, вырабатывается и тепловая путем отвода части пара и нагрева с его помощью воды, подаваемой в тепловые магист­рали.

Снабжение электроэнергией от ТЭЦ осуществляется на более низких напряжениях (обычно6-10 кВ). КПД ТЭЦ составляет 70-80 %, а при особых режимах он достигает 85 %.

Есть ТЭС с газотурбинными установками. Рабочее тело в них — газ с воздухом. Газ выделяется при сгорании органи­ческого топлива и смешивается с нагретым воздухом. Газовоз­душная смесь при 750—770 °С подается в турбину, которая вращает генератор. ТЭС с газотурбинными установками более маневренна, легко пускается, останавливается, регулируется. Но их мощность в 5—8 раз меньше паровых.

Процесс производства электроэнергии на ТЭС можно разде­лить на три цикла: химический — процесс горения, в резуль­тате которого теплота передается пару; механический — теп­ловая энергия пара превращается в энергию вращения; элек­трический — механическая энергия превращается в электри­ческую.

Общий КПД ТЭС состоит из произведения КПД () циклов:

η_тэс = η_х η_м η_э

КПД ТЭС теоретически равен η_тэс = 0,9 • 0,63 • 0,9 = 0,5.

Практически с учетом потерь КПД ТЭС находится в пределах 36-39 %. Это означает, что 64-61 % топлива используется «впус­тую», загрязняя окружающую среду в виде тепловых выбросов в атмосферу. КПД ТЭЦ примерно в 2 раза выше, чем КПД ТЭС. По­этому использование ТЭЦ является существенным фактором энерго­сбережения.

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 (с помощью повышающих и понижающих трансформаторных подстанций), а не ток, т. к. при повышении тока рассеиваемая мощность на проводах прямо пропорциональна текущему току в квадрате.

К тепловым электрическим станциям относят также атомные станции. На рис. 2.3 представлена принци­пиальная схема атомной электростанции.

Атомные электростанции (АЭС) представляют собой сложные электрические установки. На них используется тепловая энергия распада атомного ядра изотопа урана (235U) или тория (Th). Чтобы получать 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.

Генератор Турбина

Рис. 2.3 Принципиальная схема атомной электростанции

Конденсатор

Рис. 2.3 Принципиальная схема АЭС (1 - реактор; 2 - парогенератор; 3 - турбина; 4 - генератор; 5 -трансформатор: 6 - электролинии)

Атомный котел (реактор) электростанции состоит из графитовых блоков (активных зон), графит которых од­новременно служит 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 (Na) или висмут (Bi)). 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 %. Для биологической защиты от радиации используется слой бетона в несколько метров толщиной. На рис. 2.4 представлена типичная схема активной зоны.

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 (1ГВт = 1000 МВт = 109 Вт). Дей­ствующие атомные электростанции обеспечивают покры­тие 17 % мировых потребностей в электроэнергии. Толь­ко в Западной Европе атомные электростанции выраба­тывают в среднем около 50 % всей электроэнергии.

При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт-ч электроэнергии, а при расходе 1 кг ядерного топлива - 23 млн. кВт-ч.

Тепловыделитель (уран)

Рис. 2.4 Схема активной зоны АЭС

Более 2000 лет человечество использует водную энергию Зем­ли. Теперь

энергия воды применяется на гидроэнергетических уста­новках (ГЭУ) трех видов:

-гидравлические электростанции (ГЭС), использующие энер­гию рек;

-энергия воды применяется на гидроэнергетических уста­новках (ГЭУ) трех видов:

1) гидравлические электростанции (ГЭС), использующие энер­гию рек;

2) приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов морей и океанов;

3) гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). накапливающие и использующие энергию водоемов и озер.

Гидроэнергетические ресурсы в турбине ГЭУ преобразуются в механическую энергию, которая в генераторе превращается в элек­трическую.

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. Строительство любой ГЭС ведется с учетом комплексного использования водных ресурсов, не только в целях энергетики, но и ирригации, судоходства, рыбного и сельского хозяйства. Для элект­рификации сельскохозяйственных потребителей, особен­но в районах, удаленных от сетей энергосистем, использу­ют небольшие гидроэлектростанции мощностью в несколь­ко тысяч киловатт.

Гидроэлектростанции имеют ряд существенных 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 другие.

Производство электроэнергии на ГЭС осуществляется за счет использования энергии падающей воды (рис. 2.5). Высота падения воды называется напором. Он создается установкой плотины, размещенной поперек реки. Величина напора определяется разницей верхнего уров­ня (бьефа) водного пространства до плотины и нижнего после нее. 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.

Рис. 2.5 Гидроэлектростанция

В зависимости от природных условий, величины расхода воды в реке и напора гидроэлектрические стан­ции подразделяются на приплотинные (низконапорные) и деривационные (высоконапорные).

Приплотинные ГЭС сооружают главным образом на равнинных реках. Напор воды в таких станциях создает­ся плотиной, для таких рек он, как правило, невелик, по­этому требуемую мощность на валу турбины обеспечива­ют за счет значительных расходов воды. Здание станции располагается на стороне нижнего бьефа непосредственно за плотиной. В ряде случаев по конструктивным сообра­жениям здание станции с машинным залом может вхо­дить в состав плотины, являясь ее продолжением. В этих случаях ГЭС называют русловыми.

Деривационные ГЭС сооружают на горных реках. Мощ­ность здесь обеспечивается за счет больших напоров воды, которые удается получить, отводя воду по обходному (де­ривационному) каналу. Канал заканчивается напорным бассейном, откуда вода подается к гидротурбинам по на­порному трубопроводу. После чего вода по отводным ка­налам поступает в нижний бьеф.

Перед плотиной или у напорного бассейна сооружают водохранилище, которое обеспечивает суточное регули­рование стока воды. ГЭС называются станциями с суточ­ным регулированием стока. Гидрогенераторы станции устанавливаются на одном валу с турбиной. Помещение, в котором размещены генераторы, регуляторы скорости вращения турбин и другое вспомогательное оборудова­ние, называют машинным залом. К машинному залу при­мыкает распределительное устройство генераторного на­пряжения.

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

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

Большой интерес в мировой энергетике вызывают эксперименты над созданием новых электростанций на основе термоядерных реакторов. Принцип действия заключается в выделении большого количества энергии при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия (D) и трития (Т), образующих плаз­му. Поскольку трития в природе нет, его источником является литий (Li), который превращается в тритий под действием нейтронов. Дейтерий легко получить из воды путем электролиза.

Предполагается, что будущий термоядерный реактор будет работать в режиме последовательных микровзры­вов с частотой в несколько герц, а выделяемое в камере тепло будет отводиться теплоносителем и использовать­ся для получения электроэнергии. Термоядерный реак­тор обладает определенными преимуществами, позволяя получать большие энергетические мощности в условиях, предъявляющих высокие требования к экологии и безо­пасности. В отличие от АЭС термоядерные электростан­ции можно строить вблизи городов, т. к. они на много порядков безопаснее. В случае их физического разруше­ния реакция прекратится сама по себе, за миллионные доли секунды.

Несмотря на большие успехи, достигнутые в этом на­правлении, предстоит еще пройти большой путь прежде, чем будет построен первый коммерческий термоядерный реактор. Развитие термоядерной энергетики требует боль­ших затрат на развитие специальных технологий и материалов, на физические исследования. При нынешнем уровне финансирования термоядерная энергетика не бу­дет готова раньше 2020-2040 гг.

Дата добавления: 2015-10-23