Производство электроэнергии. 
Производство электроэнергии

Электрическая система, Ї это электрическая часть электроэнергетической системы, включающая в себя всё электрическое оборудование, то есть электрические генераторы, трансформаторы, линии электропередачи, приёмники электрической энергии, а также аппаратуру релейной защиты, противоаварийной автоматики, системы регулирования и управления. Начнём с генераторов электрического тока. Деловая активность общества, практически всех сторон его жизни связана с потреблением электрической энергии, вырабатываемой электростанциями.

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях, которые в зависимости от используемых в них энергоносителей подразделяются на тепловые (паротурбинные), атомные (реакторные) и гидроэлектрические (гидротурбинные). В нашей стране производится и потребляется огромное количество электроэнергии. Она почти полностью вырабатывается тремя вышеуказанными типами электростанций. По производству электроэнергии Россия занимает четвёртое место в мире после США, Японии и Китая. Структура производства энергии по типам станций на 2002 год показано на рисунке.

На некоторых станциях вместе с электрической производится также тепловая энергия. Практически на всех электростанциях, имеющих промышленное значение, используется следующая схема: энергия первичного энергоносителя с помощью специального устройства преобразовывается вначале в механическую энергию вращательного движения, которая передаётся в специальную электрическую машину, — генератор, где вырабатывается электрический ток.

Немного об энергетических ресурсах или проще говоря о топливе, которое применяется на электростанциях. Энергетические ресурсы, Ї это материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, пригодная для практического использования человеком в настоящее время или которая может быть использована в перспективе в результате научно-технического прогресса. Энергетическим ресурсом называют любой источник энергии, естественный или искусственно активированный.

Одна из классификаций природных ресурсов, Ї классификация по признаку исчерпаемости, в соответствии с которой энергетические ресурсы разделяют на исчерпаемые и неисчерпаемые. В свою очередь, исчерпаемые можно разделить на возобновляемые и не возобновляемые. К возобновляемым относят ресурсы, восстанавливаемые природой (дрова, камыш, торф и прочие виды биотоплива, гидропотенциал рек), к не возобновляемым, Ї ресурсы, ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (нефть, уголь, природный газ, нефтеносный сланец, урановая руда). Не возобновляемые энергетические ресурсы по большей части являются полезными ископаемыми. К неисчерпаемым ресурсам относятся излучение Солнца, энергия ветра, морских приливов, космические и водные ресурсы. Излучение Солнца, непосредственно приходящееся на поверхность Земли, обладает огромным потенциалом энергии.

Почти вся энергия поступает на поверхность Земли от Солнца, за исключением небольшого количества теплоты за счёт радиоактивности земной коры, наличия раскалённого земного ядра, а также гравитационной энергии взаимодействия Земли с Луной и Солнцем. Но надо отметить, что основным энергетическим источником жизни на Земле является Солнце. В процессе реакции фотосинтеза из неорганических элементов окружающей среды, Ї воды и углекислого газа под воздействием солнечного света в растениях образуется органическое вещество, основным элементом которого является углерод. В самые разные геологические эпохи на протяжении миллионов лет из отмерших растений и животных под воздействием биологического влияния, давления и температурного режима, которые, в свою очередь, являются результатом конкретного количества энергии Солнца, падающего на Землю, и образовались органические энергетические ресурсы, основу которых составляет углерод, ранее накопленный в растениях. Все виды энергоресурсов есть результат естественных преобразований солнечной энергии. Уголь, нефть, природный газ, торф, горючие сланцы и дрова, Ї это запасы лучистой энергии Солнца, извлечённые, преобразованные и аккумулированные растениями. При сгорании этих видов топлива идёт процесс образования углекислого газа, то есть углерод окисляется кислородом воздуха, при этом высвобождается энергия.

Первоисточником органического топлива являются растения, которые претерпевали длительные процессы обуглероживания без доступа кислорода на разных глубинах Земли. В настоящее время наиболее распространённым видом технологического топлива в мировой электроэнергетике выступает уголь. Это объясняется относительной дешевизной и широкой распространённостью запасов данного вида топлива. Однако транспортировка угля на значительные расстояния ведёт к большим издержкам, что во многих случаях делает его использование нерентабельным. При производстве энергии с использованием угля высок уровень выброса в атмосферу загрязняющих веществ, что наносит существенный вред окружающей среде. В последние десятилетия ХХ-го века появились технологии, позволяющие использовать уголь для производства электроэнергии с большей эффективностью и меньшим ущербом для окружающей среды.

Угли делятся на три группы, — бурые, каменные и антрациты. Ископаемые твёрдые топлива произошли из растительных и животных организмов. В зависимости от исходного материала и условий химического превращения они подразделяются на гумусовые, сапропелитовые и смешанные.

Гумусовые топлива образовались в основном из отмерших многоклеточных растений. Органическое вещество этих растений подвергалось разложению в условиях ограниченного доступа воздуха, в результате чего оно превращалось в перегной, — гумус.

Сапропелитовые топлива образовались из остатков низших растений (водорослей) и животных микроорганизмов, в составе которых помимо клетчатки содержится значительное количество белков, жиров и воска. При разложении под водой без доступа воздуха эти остатки превращались в гнилостный ил, — сапропель, из которого в дальнейшем происходило образование ископаемого твёрдого топлива.

В условиях полного прекращения доступа воздуха и при участии бактерий гумус претерпевал дальнейшее видоизменение и превращался в ископаемое топливо. В образовании смешанных ископаемых твёрдых топлив заметную роль играли как высокоорганизованные растения, так и микроорганизмы.

В зависимости от «химического возраста», то есть периода времени, в течение которого протекали химические превращения в массе топлива, различают три стадии образования ископаемого твёрдого топлива:

то есть связанная с образованием торфа;

— период превращения торфа в бурые угли;

каменноугольная, — наиболее длительный период химических превращений с образованием каменных углей и антрацитов.

Торф представляет собой бурую землистую или пластичную массу тёмно-жёлтого или чёрно-бурого цвета и является самым молодым по химическому возрасту ископаемым твёрдым топливом. Он относится к топливу гумусового образования и представляет собой продукт неполного разложения в естественных условиях под водой мхов и растительных остатков при затруднённом доступе воздуха. Местами торфообразования являются, главным образом, зарастающие болота и водоёмы. Торфяное болото, образовавшееся на месте такого водоёма, называется луговым. Торф в болоте по большей части ещё плохо разложившийся и многозольный. Эта многозольность, Ї результат наноса водой в толщу зарастающего озера частей земляного покрова. С годами растительность лугового болота изменяет свой характер. Если вначале на нём ещё могут произрастать не только различные травы, но и деревья, то с годами, когда слой торфа увеличивается, и корням растений уже трудно достать илистую питательную среду, деревья на такой почве бывают мелкорослыми и, в конце концов, гибнут. Травы сменяются белым мхом, так называемым сфагнумом, — неприхотливым растением, питающимся влагой атмосферного воздуха. Торф, образующийся в этой стадии развития болота, называется моховым. Он, естественно, получается малозольным, так как в толщину болота попадает уже не почвенная вода, а только атмосферная.

Вследствие низкой теплоты сгорания и малой механической прочности торф относится к местным видам топлива, подлежащим использованию вблизи мест его добычи. Как и древесина, торф является возобновляющимся минеральным топливом: 1 условный гектар торфяных залежей даёт ежегодный прирост на 1 — 2 тонны сухого торфа. Торф широко используется не только как топливо, но и для нужд сельского хозяйства.

Каменные угли представляют собой чёрную блестящую однородную массу, а иногда матовую массу без блеска серовато-чёрного цвета. Это продукт более полного превращения исходного органического материала. Каменные угли образовались в процессе медленного разложения деревьев и остатков всевозможных растений под слоем земли без доступа воздуха. Образование каменных углей началось много миллионов лет тому назад.

Сланцы образовывались в замкнутых водоёмах со спокойной водой, где микроскопические растительные и животные организмы претерпевали глубокие изменения при отсутствии растворённого в воде кислорода. На дно водоёмов осаждался пелоген в виде клочковатой массы, который с течением времени превращался в органическую массу. Пелоген, Ї поверхностный слой гнилостного ила.

Сланцы, обладая высокой теплотой сгорания горючей массы, — до 34,8 мДж/кг (8300 ккал/кг) вследствие огромной зольности и значительной влажности являются одним из самых низкосортных топлив. Сланцы обычно используются как топливо только при условии их сжигания на месте добычи без сколько-нибудь значительных транспортировок.

Нефть представляет собой горючую маслянистую жидкость, добываемую из недр земли. По современным представлениям нефть имеет органическое происхождение. Считается, что исходным (материнским) веществом для образования нефти были ископаемые остатки растительного и животного происхождения в местах древних мелководных морей.

Накапливаясь на морском дне и перемешиваясь с минеральными веществами, эти остатки образовали мощные толщи илистых отложений, в которых под действием кислорода, бактерий и микроорганизмов происходило разложение органического вещества с образованием химически устойчивых жидких и газообразных продуктов. Последние постепенно накапливались в слоях осадочных пород и под действием повышенной температуры этих слоёв, давления и природных катализаторов претерпевали дальнейшие химические превращения с образованием нефти.

Нефть залегает в недрах земли в осадочных пористых породах (песчаниках и известняках), образуя нефтяные пласты, расположенные на глубине 5000 метров и глубже. В этих пластах нефть находится совместно с водой и газом, занимая по плотности среднюю зону выше воды. Скопления газа находятся в верхней части пластов.

Существенное сокращение использования нефти и нефтепродуктов для производства электроэнергии за последние тридцать лет объясняются как ростом стоимости данного вида топлива, высокой эффективностью его применения в других отраслях, так и дороговизной его транспортировки на значительные расстояния, а также возросшими требованиями к экологической безопасности.

Мазут является остаточным продуктом переработки нефти, его плотность 0,96 — 0,98 т/м³. Его хранят в подземных стальных или железобетонных резервуарах, установленных вне котельных. Ёмкость резервуаров рассчитывают на потребность не менее 15-ти суток работы котельной.

Газообразное топливо, — это смесь горючих и негорючих газов. В естественном газе в основном содержатся метан, этан и тяжёлые углеводороды, а также негорючие газы, — углекислый газ и азот. В среднем природные газы состоят из 96-ти % метана, 2-ух % этана, 0,5% тяжёлых углеводородов и 1,5% углекислого газа и азота. Так природный газ чисто газового месторождения состоит в основном из метана. В газах газонефтяных месторождений много тяжёлых углеводородов.

Природные газы скапливаются в горных породах земной коры, образуя газоносные пласты. Такими породами являются пористые структуры (песчаники и известняки). Газоносные пласты сверху и снизу ограничены газонепроницаемыми породами. Многие учёные предполагают, что природный газ образовался из остатков морских животных и растений, которые тысячелетиями отлагались на дне морей, заносились илом и разлагались без доступа воздуха в течение миллионов лет.

Утечки газа опасны, так как он ядовит. Природный газ в чистом виде обычно не имеет цвета, вкуса и запаха и поэтому, чтобы своевременно заметить появление газа в помещении, его одоризуют, то есть добавляют вещества с сильным запахом, например, меркотан. Газообразное топливо имеет следующие преимущества перед жидким и твёрдым топливом:

перемешивание горючего газа с воздухом, чем достигается горение с наименьшим избытком воздуха, а потому и меньшими потерями теплоты с отходящими газами;

получения более высоких температур при его горении;

и меньшая трудоёмкость обслуживания газовых горелок.

Кроме того, газообразное топливо не требует больших затрат на транспортирование горючего газа к месту потребления. Однако при сжигании газа следует учитывать и особенности этого процесса. Горючие газы взрывоопасны, потому что они все при их определённом содержании в воздухе образуют взрывоопасную смесь, которая взрывается при наличии открытого огня или искры. Расширение использования газа в мировой электроэнергетике за последние годы объясняется существенным ростом его добычи, появлением высокоэффективных технологий производства электроэнергии, основанных на применении данного вида топлива, а также ужесточением политики по охране окружающей среды.

Природные органические топлива являются не возобновляемыми энергетическими ресурсами, не восполняющимися и не возобновляющимися в настоящую геологическую эпоху. Отличительной особенностью не возобновляющихся источников энергии (угля, нефти и газа) являются их высокий энергетический потенциал, относительная доступность и, как следствие, целесообразность извлечения. Наибольшие энергетические ресурсы органического топлива сосредоточены в угле.

Для сравнения топлив по энергетической ценности, оценке эффективности их использования, а также для сопоставления отдельных видов топлива и подсчётов потребности в топливе используется понятие условного топлива, теплота сгорания которого принимается равной 29,33 МДж/кг (7 000 ккал/кг). Без понятия условного топлива было бы неудобно, так как теплота сгорания топлив изменяется в широких пределах, — от 6,3 МДж/кг (1 500 ккал/кг) до 41,3 МДж/кг (9 850 ккал/кг). Даже у одного и того же вида топлива теплота сгорания сильно колеблется в зависимости от засорённости золой и, главным образом, влагой.

Общие прогнозируемые геологические запасы каменного и бурого угля составляют 6 000 Ї 15 000 миллиардов тонн условного топлива. Геологических ресурсов нефти в мире в 20 — 30 раз меньше, чем угля, они составляют 286 Ї 515 миллиардов тонн условного топлива. Ресурс природного газа на Земле оценивается в 177 Ї 314 миллиардов тонн условного топлива. Несмотря на кажущиеся довольно значительные запасы органического топлива, их расход в настоящее время настолько велик, что даже при современном уровне использования любого из топлив просматривается перспектива их истощения в обозримом будущем.

В конце XX-го Ї начале XXI-го века резко повысился интерес к биоэнергетическим ресурсам. В отдельных странах (например, в Бразилии) производство электроэнергии на биотопливе составило заметную долю в энергетическом балансе. В США была принята специальная программа субсидирования биотоплива. Но существуют и сомнения в перспективах данного направления электроэнергетики. Они касаются прежде всего эффективности использования таких природных ресурсов, как земля и вода. Так, отвод обширных площадей пахотной земли под производство биотоплива внёс свой вклад в удвоение цен на продовольственное зерно.

Всё большее распространение получает использование урана. Это топливо обладает колоссальной эффективностью по сравнению с прочими сырьевыми источниками энергии. Однако применение радиоактивных веществ сопряжено с риском масштабного загрязнения окружающей среды в случае аварии. Кроме того, возведение АЭС и утилизация отработанного топлива чрезвычайно капиталоёмки. Развитие этого вида энергетики осложняется и тем, что пока немногие страны могут обеспечить подготовку научных и технических специалистов, способных разработать технологии и обеспечить квалифицированную эксплуатацию АЭС.

Большое значение в структуре источников электроэнергии сохраняют гидроресурсы, хотя их доля за последние десятилетия несколько сократилась. Преимущества этого источника в его возобновляемости и относительной дешевизне. Но неравномерность распределения водных ресурсов на планете и зависимость от климатических условий ограничивают их гидроэнергетический потенциал.

Энергоресурсы принято подразделять на первичные и вторичные. Первичные энергоносители, Ї это сырьевые материалы в их естественной форме до проведения какой-либо технологической обработки, например каменный уголь, нефть, природный газ и урановая руда. В разговорной речи эти материалы называют просто первичной энергией. К таковой относятся также солнечное излучение, ветер и водные ресурсы. Вторичная энергия, Ї это продукт переработки, «облагораживания» первичной, например бензин, мазут или ядерное топливо. Показать видеоролик.

Схемы тепловых электростанций: а Ї конденсационной; б Ї теплоэлектроцентрали; ТПВ Ї трубопровод питательной воды; ПК Ї паровой котёл; Т Ї турбина; Г Ї генератор; К Ї конденсатор; Э Ї эжектор; ТЦВ Ї трубопровод циркуляционной воды; ЦН Ї циркулярный насос; КН Ї конденсатный насос; В Ї водоподогреватель; ПН, ПН1, ПН2 Ї питательные насосы; ВБ Ї водяная батарея; ПБ — паровая батарея.

Вернёмся к генераторам электрического тока. Ведущую роль в электроэнергетике России играют тепловые электростанции (ТЭС). Они сейчас вырабатывают около 2/3 всей электроэнергии в стране. На тепловых электростанциях (ТЭС) используют тепловую энергию, получаемую при сжигании в топках котлов органического топлива, Ї угля, торфа, горючих сланцев, мазута или природного газа.

Тепловые электростанции требуют огромного количества органического топлива (до 5-ти миллиардов тонн в год), запасы же его сокращаются, а стоимость постоянно возрастает из-за всё усложняющихся условий добычи и дальности перевозок. Так для ТЭЦ, расположенных на европейской части, привозится около 2/3 потребляемого топлива, а транспортировка топлива обходится значительно дороже передачи электроэнергии.

ТЭС строятся с относительно небольшими затратами и относительно быстро как возле месторождений топливных ресурсов, так и возле крупных центров потребления энергии. Но они требуют для своего обслуживания значительного количества персонала, довольно плохо регулируются, в больших масштабах сжигают исчерпаемые и невозобновимые виды минерального топлива, — уголь, газ, мазут, сланцы и торф (он относится к возобновляемым видам). Коэффициент использования топлива или проще говоря КПД в них довольно низок, Ї не более 40%, остальная часть образующейся при сгорании топлива теплоты отдаётся охлаждающей воде при конденсации пара и уходит в атмосферу с дымовыми газами. Объёмы отходов, загрязняющих окружающую среду, велики. Максимальный экологический вред наносят ТЭС, работающие на высокозольном буром угле, наименьший, — работающие на газе.

В тепловой электростанции вода в котлах превращается в пар, который по паропроводу поступает в паровую турбину и приводит во вращение её ротор вместе с генератором, за счёт чего и вырабатывается электроэнергия. Основным элементом электростанции является генератор. В генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую, и генератор становится источником электрического тока. Таким образом, кинетическая энергия пара сначала превращается в механическую энергию вращения турбины, а потом в электроэнергию.

Превращение энергии из одного вида в другой неизбежно сопровождается потерями, которые зависят главным образом от способа преобразования, а также от совершенства и состояния преобразующих устройств. Отработавший пар, пройдя все ступени турбины, поступает в конденсатор, где, охлаждаясь, превращается в конденсат, который вновь подаётся насосом в котёл. Возврат чистого конденсата уменьшает образование накипи в котлах и тем самым увеличивает срок их службы. Так, по замкнутому циклу работает тепловая конденсационная электростанция (КЭС), снабжающая потребителей только электрической энергией.

Сооружать КЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этом потребители электроэнергии могут находиться на значительном расстоянии от станции. Самые мощные конденсационные станции называются ГРЭС, — государственные районные электростанции. В европейской части России ГРЭС работают в основном на газе и мазуте, а в азиатской, — на угле.

Снабжение потребителей не только электрической, но и тепловой энергией осуществляется тепловой электростанцией, называемой теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). В ней происходит описанный выше цикл преобразования тепловой энергии в механическую, а затем и в электрическую, но значительная часть тепловой энергии в этом случае поступает в виде горячей воды и пара потребителям, расположенным в непосредственной близости от электростанции. Возможность одновременного производства тепла и электроэнергии привела к распространению в ряде стран централизованного теплоснабжения от ТЭЦ. На тепловой электроцентрали использованный для выработки тока пар в виде пара или воды направляется пользователям.

Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60-ти Ї 70-ти %. Такие станции строят обычно вблизи потребителей, — промышленных предприятий или жилых массивов, так как тепло можно передавать лишь на небольшие расстояния. Чаще всего они работают на привозном топливе. Как правило, мощность ТЭЦ намного меньше, чем у государственной районной электростанции. Самый мощный узел ТЭЦ в России расположен в Москве и её окрестностях. Рассмотренные тепловые электростанции по виду основного теплового агрегата относятся к паротурбинным станциям.

Комплексы тепловых электростанций, работающие на углях одного месторождения, получили название топливно-энергетических комплексов. Экономические, технико-экономические и экологические факторы не позволяют считать тепловые электростанции перспективным способом получения электроэнергии.

Атомная электростанция (АЭС) по своей сущности является тепловой электростанцией, отличаясь от последней лишь тем, что (но) на ней вместо котельного агрегата используется атомный реактор с теплообменником и для получения пара используется тепло, получаемое в процессе деления ядер атомов урана или плутония. АЭС получают в России широкое распространение, поскольку их можно сооружать в районах, отдалённых от источников природного топлива или не располагающих гидроэнергетическими ресурсами. Одним из основных преимуществ АЭС является малый расход потребляемого топлива, а следовательно, и резкое снижение затрат на его перевозку. Из 1-го килограмма обогащённого урана можно получить столько же теплоты, сколько и при сжигании примерно 3000 тонн каменного угля. К тому же запасы урана на Земле превышают запасы традиционного минерального топлива, а при безаварийной работе АЭС незначительно воздействуют на окружающую среду.

Первая в мире атомная электростанция, преобразующая энергию расщепления ядер атомов тяжёлых элементов в электрическую, была построена в 1954;ом году в Советском Союзе в городе Обнинск. Основным тепловым агрегатом АЭС, как и ТЭС, является паротурбинная установка. Водяной пар также служит средой, преобразующей тепловую энергию в механическую. Принципиальное отличие АЭС от ТЭС состоит в том, что теплота, необходимая для выработки пара, получается не при сгорании топлива, а при расщеплении ядер тяжёлых элементов в ядерных реакторах. Такими элементами являются природный изотоп урана-235 или получаемые искусственным путём изотопы урана-233 и плутония-239.

За годы, прошедшие со времени пуска в эксплуатацию первой АЭС, было создано несколько конструкций ядерных реакторов, на основе которых началось широкое развитие атомной энергетики в нашей стране. Атомные электростанции классифицируются по типу реактора и числу контуров, по которым выделяющаяся теплота может передаваться рабочему телу (пару) паровой турбины.

Тепловые схемы атомных двухконтурной (а) и трехконтурной (б) электростанций: 1 Ї реактор; 2 Ї турбина; 3 Ї генератор; 4 Ї конденсатор; 5 Ї циркуляционный насос; 6 Ї парогенератор; 7, 9 — конденсатный насос; 8 Ї теплообменник.

Тепловая схема АЭС может быть двухи трёхконтурной. В трёхконтурной схеме в первом контуре нагретый в реакторе 1 радиоактивный теплоноситель поступает в парогенератор 6, где отдаёт теплоту рабочему телу (пару), и с помощью циркуляционного насоса 5 возвращается в реактор. Во втором контуре пар через промежуточный теплообменник 8 и турбину 2 вращает генератор 3, а затем через конденсатор 4 с помощью насоса 9 возвращается в теплообменник (третий контур). Таким образом, в трёхконтурной АЭС контуры первичного теплоносителя, которым могут быть так называемая тяжёлая вода, гелий или пароводяная смесь, и рабочего тела (пара) разделены. В этой схеме радиоактивный контур включает в себя не всё оборудование, а лишь его часть, что упрощает эксплуатацию.

Главным недостатком АЭС является возможность аварий с катастрофическими последствиями, для предотвращения которых требуются серьёзные меры безопасности. Кроме того, АЭС плохо регулируются (для их полной остановки или включения требуется несколько недель), не разработаны технологии переработки радиоактивных отходов. Атомная энергетика выросла в одну из ведущих отраслей народного хозяйства и продолжает быстро развиваться, обеспечивая безопасность и экологическую чистоту.

Обеспечение радиационной безопасности персонала и населения, являющееся важнейшей задачей при эксплуатации атомной электростанции, достигается созданием специальных конструкций и устройств защиты, очисткой воды и воздуха, извлечением и надёжной локализацией радиоактивных загрязнений.

Гидроэнергетические установки подразделяются на:

использующие энергию рек (ГЭС);

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

гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), способные накапливать и использовать энергию искусственных водоёмов и озёр.

Схематичный разрез гидротехнических сооружений и зданий гидроэлектростанции: 1 — кран для подъёма водозапорных щитов; 2 — плотина; 3 — водозапорный щит; 4 — туннельный канал; 6 — генератор.

Гидроэлектростанции (ГЭС) сооружают на реках, используя напор потока воды, искусственно создаваемый за счёт разности её уровней с двух сторон построенной плотины, перегораживающей русло реки. Плотина позволяет накопить в водохранилище воду и создать, таким образом, напор воды, необходимый для работы гидротурбины. Вода, подаваемая под определённым напором в гидротурбину, вращает её рабочее колесо (ротор) и соединённый с ним ротор электрического генератора. При этом энергия потока воды преобразуется генератором в электрическую энергию. На гидроэлектростанции вращение генератора для выработки электричества осуществляется за счёт энергии падающей воды при её вытекании из искусственно созданной платины.

Гидроэлектростанции являются самыми экономичными, по сравнению с тепловыми электростанциями они имеют более высокий коэффициент полезного действия, Ї до 93-ёх %, требуют меньших эксплуатационных затрат и позволяют получать электроэнергию, стоимость каждого киловатт-часа которой в 5 Ї 6 раз ниже, чем на тепловых электростанциях. Гидроэлектростанции имеют высокий КПД, дешевле в эксплуатации и вырабатывают дешёвую электроэнергию. Они используют неисчерпаемый бесплатный источник энергии, обслуживаются минимальным количеством работников и хорошо регулируются. По величине и мощности отдельных гидростанций и агрегатов наша страна занимает ведущее положение в мире. Но ГЭС имеют и ряд недостатков:

затраты и сроки строительства, обусловленные удалённостью мест строительства ГЭС от крупных городов;

дорог, трудные условия строительства;

подвержены влиянию сезонности режима рек;

затапливаются большие площади ценных приречных земель;

водохранилища негативно воздействуют на экологическую ситуацию;

находится в сложном взаимодействии с другими потребителями и пользователями воды: водным транспортом, ирригацией, водоснабжением и рыбным хозяйством;

много экологических вопросов;

ГЭС могут быть построены только в местах наличия соответствующих ресурсов.

ПЭС (приливные электрические станции) использует энергию приливов и отливов волны, образующейся в морях и океанах в результате сил притяжения, действующих между Землей, Луной и Солнцем. Недостатком ПЭС является большая стоимость их сооружения, а работают они только во время прилива и отлива.

В течение многих веков люди размышляли над природой океанских приливов и отливов. Сегодня хорошо известно, что этому грандиозному явлению природы, а именно, ритмичному движению морских вод, способствуют силы гравитации Солнца и Луны. Дважды в сутки Солнце и Луна силой тяготения заставляют морскую воду то наступать на берег, то отходить назад. Это явление известно людям с давних времён, однако использовать его с целью получения энергии человечество научилось лишь недавно.

Первую приливную электростанцию построили в 1913;ом году вблизи Ливерпуля в бухте Ди, её мощность достигала 635-ти киловатт. В США первую приливную электростанцию возвели в 1935;ом году. Для этого была перегорожена часть залива Пассамакводи в восточной части побережья Америки, но работы не были закончены из-за неподходящего морского грунта, он оказался слишком мягким.

Учёные подсчитали, что для хорошей работы электростанции необходимо, чтобы перепад уровней между отливом и приливом составлял более четырёх метров. Таким образом с увеличением разницы высот воды увеличивается эффективность работы приливной электростанции. Наиболее подходящим местом для использования энергии приливов необходимо считать такое место на морском побережье, где приливы обычно имеют наибольшую амплитуду, а береговой рельеф позволяет создать большой замкнутый «бассейн».

Хорошим местом для постройки приливной электростанции является узкий морской залив, который отсекается от океана плотиной. В отверстиях плотины размещаются гидротурбины с генераторами. Генератор и турбина заключены в обтекаемую капсулу, которая очень удобна в использовании. Главным достоинством таких капсульных агрегатов является их универсальность. Они способны не только вырабатывать электрическую энергию при движении через них морской воды, но и выполнять функции насосов. При этом производство электроэнергии происходит как в период прилива, так и в период отлива.

Режим работы приливной электростанции обычно состоит из нескольких циклов. Четыре цикла, это простой, по 1 Ї 2 часа, периоды начала прилива и его окончания. Затем четыре рабочих цикла продолжительностью по 4 Ї 5 часов, периоды прилива или отлива, действующих в полную силу. В ходе прилива водой наполняется бассейн приливной электростанции. Движение воды вращает колёса капсульных агрегатов, и электростанция вырабатывает ток. Во время отлива вода, уходя из бассейна в океан, опять вращает рабочие колёса, только в обратную сторону. И вновь электростанция снова производит электрический ток, потому что рабочий агрегат обеспечивает одинаково хорошую работу при вращении колеса в любую из сторон. В промежутках между приливом и отливом движение колес останавливается. Какой же выход из этого положения? Чтобы не было перебоев, энергетики связывают приливную электростанцию с другими станциями. Это могут быть, например, тепловые или атомные электростанции. Получившееся энергетическое кольцо помогает во время пауз переложить нагрузку на соседей по кольцу.

В последние годы приливная энергетика получила дальнейшее развитие. Она пополняется принципиально новыми типами приливных электростанций. Главным их отличием является отсутствие дорогой плотины. Вместо компактных турбин электрогенераторы приводятся в движение крупными лопастями диаметром от 10-ти до 20-ти метров. Такие электростанции больше всего напоминают ветряные электростанции, опущенные в воду.

К недостаткам традиционных приливных электростанций можно отнести их высокую стоимость. Она в 2,5 раза превышает стоимость гидроэлектростанций аналогичной мощности. Однако к преимуществам ПЭС можно отнести её экологичность и низкую себестоимость производства энергии.

Так, приливная электростанция, построенная в декабре 2011;го года в Южной Корее, мощностью 254 мегаватта, способна обеспечить электрической энергией город, число жителей которого составляет 500 тысяч человек. С её помощью Южная Корея может экономить более 860 000 баррелей нефти в год.

Эксперты из организации гринпис сделали вывод, что ресурсы приливной энергии в мире таковы, что при их использовании можно получить такое количество энергии, которое превысит современные потребности человечества в электроэнергии в 5 тысяч раз.

Разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), предназначенные для покрытия «пиковых» нагрузок и заполнения «провалов» в графиках потребления электроэнергии. Работа ГАЭС заключается в смене двух разделённых во времени режимов: накопления гидравлической энергии и отдачи потребителям электрической энергии. Такие станции оснащают обратимыми агрегатами, которые могут работать в режимах и двигателя, и генератора. Гидроаккумулирующая электростанция перекачиванием воды в режиме двигателя из нижнего бассейна в верхний накапливает (аккумулирует) избыточную электроэнергию, вырабатываемую другими электростанциями, когда спрос на электрическую энергию мал (например, ночью), и преобразует в режиме генератора потенциальную энергию запасённой воды в электрическую (вода из верхнего бассейна через гидроагрегаты перетекает в нижний) в часы пиковых нагрузок в энергосистеме. Кратковременность работы объясняется сравнительно небольшими объёмами бассейнов.

Однако в нашей стране строятся преимущественно тепловые электростанции, что объясняется:

больших запасов низкокалорийного топлива, пригодного к использованию только на электростанциях;

быстрого сооружения тепловых электростанций из типовых строительных конструкций;

необходимостью меньших капиталовложений.

Для увеличения надёжности поставок электроэнергии большое количество станций и потребителей объединяют в энергосистемы. Системы позволяют также оптимально сочетать электростанции разных типов. АЭС в них всегда работают на полную мощность, ТЭС работают на полную мощность в зимний период и частично, — летом, а ГЭС включаются для покрытия суточных пиков нагрузки. Станции почти всей европейской части страны (кроме крайнего северо-востока) и юга азиатской части вплоть до Байкала объединены в Единую энергосистему России. Эта система позволяет также перебрасывать энергию на большие расстояния, используя разницу во времени и в уровне развития электроэнергетики. Из наиболее энергоизбыточного Восточно-Сибирского района энергия передаётся на Урал и в другие западные районы страны. В северных и восточных регионах России работают изолированные энергосистемы, состоящие преимущественно из ТЭС и сильно зависящие от регулярности поставок топлива. Поэтому для многих восточных регионов страны (например, для Приморского края) в 90-е годы стали характерными энергетические кризисы с отключениями потребителей.

В качестве резервного источника питания, а также в начальный период эксплуатации предприятий, размещённых в районах Сибири и Крайнего Севера, для временного электроснабжения применяют дизельные электростанции. Основным элементом дизельных электростанций является дизель-генератор. В качестве первичных двигателей в основном применяют четырёхи двухтактные дизели мощностью 5 Ї 1000 киловатт, имеющие частоту вращения 375 Ї 1500 оборотов в минуту. Дизели комплектуют генераторами переменного тока.

Существуют также электростанции, использующие энергию ветра, тепла солнечных лучей и геотермальных вод, но они представляют собой маломощные источники электроэнергии, предназначенные только для электроснабжения отдельных мелких потребителей, отдалённых от мощных электростанций и системных сетей.

Однако в условиях истощения топливных ресурсов всё большее внимание привлекается к использованию возобновляемых источников энергии. Возобновляемая энергия привлекает и своей экологической чистотой: её использование сводит до минимума вредное влияние на окружающую среду. Для нужд народного хозяйства намечается широкое использование таких нетрадиционных источников энергии, как солнечная, геотермальная, ветровая, приливов морей и океанов, биомассы.

Их ресурсы неисчерпаемы, так как рождаются эти виды энергии силами непрерывных процессов природы и постоянно возобновляются. Солнечная энергия, поступающая только на поверхность суши, более чем в 15 Ї 20 раз превышает существующее сейчас потребление энергии во всём мире. Но на сегодняшний день использование солнечной энергии в промышленных масштабах в большинстве случаев пока оказывается менее эффективным по сравнению с традиционными видами ресурсов. В нашей стране наиболее благоприятные условия для размещения солнечных станций в Забайкалье. электростанция тепловой атомный гидроэнергетический Солнечные электростанции (СЭС) развиваются в двух направлениях: машинном (генераторном) и безмашинном. При машинном способе получения электроэнергии используется солнечный парогенератор, который через турбину приводит в действие генератор электрического тока, вырабатывающий электроэнергию. Первая солнечная электростанция в нашей стране построена на территории Крыма. Её первая очередь (СЭС-5) мощностью 5 000 киловатт введена в эксплуатацию. Солнечный парогенератор Крымской СЭС расположен на башне высотой 70 метров. На Земле установлены здание электростанции, зеркальные гелиостаты, оборудованные автоматической системой наблюдения за положением Солнца на небосводе. Солнечные лучи, отражённые от зеркал гелиостатов, концентрируются на парогенераторе и нагревают циркулирующую в нём воду до температуры 250 °C при давлении 4 мегапаскаля (40 атмосфер), благодаря чему приводятся в действие турбины, связанные с генераторами электрической энергии. На электростанции предусмотрена возможность аккумуляции тепла, что позволяет обеспечивать работу турбины в облачную погоду и ночью. Ежегодная выработка около 6-ти миллионов кВт-ч электроэнергии позволяет СЭС-5 сберечь до 2-ух тысяч тонн условного топлива. Основным недостатком СЭС является их большая стоимость.

Особый интерес проявляется, прежде всего, к геотермальной энергии, имеющей естественный выход на поверхность земли горячей воды и пара в виде гейзеров поблизости с активными вулканами. В нашей стране к числу наиболее перспективных геотермальных районов относятся обширные территории на Камчатке, Сахалине, в Крыму и на Курильских островах. На Камчатке уже действует первая в стране Паужетская парогидротермальная электростанция (ГеоТЭС) мощностью 11 тысяч киловатт. Обратная закачка отработанных геотермальных вод в подземные пласты делает ГеоТЭС экологически безвредной, что имеет большое значение для нормальной жизни многочисленных рек Камчатки, богатых ценными породами рыбы.

Широкие перспективы открывают возможности использования ветра. Запасы ветровой энергии на нашей планете во много раз превышают современную выработку электроэнергии. В развитых странах прежде всего под влиянием экологических движений её применение в электроэнергетике значительно увеличилось. Определено, что энергию ветра можно широко использовать всюду, где его скорость превышает 3 м/с. У нас в стране к таким районам относятся: Азово-Черноморская зона, побережье Каспийского моря, Нижнее Поволжье, южная часть Западной Сибири, побережье озера Байкал, Приморский край, остров Сахалин, побережье Охотского моря, Камчатка, Курильская гряда и побережье Северного Ледовитого океана, где среднегодовая скорость ветра достигает 5 Ї 10 м/с в течение 270 Ї 320 суток в год. Для преобразования энергии ветра выпускаются опытно-промышленные серии ветроагрегатов: АВЭУ-6 мощностью 4 киловатта для скоростей ветра до 50 м/с, АВЭУ-4 мощностью 1 киловатт для умеренных скоростей ветра и АВЭУ-12 мощностью 16 киловатт для расчётной скорости 10 м/с. Разрабатываются агрегаты с электрическими генераторами переменного тока мощностью 30 и 100 киловатт, а также до 30 000 киловатт с вертикальной осью и лопастями.

Кстати, энергия воды и ветра, Ї также, в конечном счёте, результаты солнечной активности: ветры возникают при неодинаковом нагревании Земли Солнцем, а вода, отдающая потенциальную энергию при падении, получает её при испарении озёр и океанов под действием солнечного света и ветра. Все машины, работающие на нефтепродуктах, угле, ветре, движущейся воде, все животные и человек, потребляющие пищу, в конечном счёте, получают своё «топливо» от Солнца.

Вопросы для повторения:

• — Объясните принцип работы тепловой электростанции.
• — Что является основным элементом электростанции?
• — Почему у теплоэлектроцентрали по сравнению с тепловой электростанцией КПД намного выше?
• — В чём особенность работы атомной электростанции?
• — Объясните принцип работы гидроэлектростанции.
• — Имеет ли гидроэлектростанция преимущества по сравнению с тепловой электростанцией?