Виробництво електричної енергії

Джерела електроенергії- це пристрої, у яких теплова, хімічна, механічна, ядерна та інші види енергії перетворюються у електричну. До них можна віднести електростанції з електричними генераторами, гальванічні елементи, акумулятори, сонячні батареї тощо.

Приймачі електроенергії - це пристрої, у яких електроенергія перетворюється в інші види енергії: механічну, теплову, хімічну, акустичну тощо. Джерела і приймачі електроенергії з’єднують пристроями для передавання та перетворення параметрів струму та напруги, до яких відносяться: лінії електропередавання, трансформатори, випрямлячі (перетворюють змінний струм у постійний), інвертори (перетворюють постійний струм у змінний), перетворювачі частоти електричного струму тощо.

Основним постачальником електричної енергії для потреб народного господарства є електричні станції – підприємства, де здійснюється перетворення різних видів енергії у електричну. Серед видів енергії, що перетворюються на електричних станціях є хімічна енергія органічних палив, кінетична і потенціальна енергія мас води, енергія вітру та сонячного випромінювання, атомна енергія тощо. Усі види енергоносіїв, енергія яких перетворюється в електроенергію називають енергоресурсами. Енергоресурси поділяють на традиційні (серед яких вугілля, природний газ, нафта, інші горючі корисні копалини, енергія мас води, атомна енергія) і нетрадиційні (геотермальна енергія, енергія вітру, енергія малих річок, сонячна енергія, енергія припливів та відпливів океану, енергія біомас тощо). Сукупність електричних станцій, ліній електропередавання, підстанцій та установок електроспоживачів утворює електроенергетичну систему.

На сьогоднішньому рівні розвитку техніки основні обсяги електроенергії виробляється такими традиційними електричними станціями:

- тепловими (ТЕС), до яких відносяться паротурбінні (конденсаційні – КЕС та теплофікаційні – ТЕЦ (електроцентралі)) і газотурбінні (ГТЕС);

- гідравлічними (ГЕС) та гідроакумулюючими (ГАЕС);

- атомними станціями (АС).

Велику надію покладають на використання нетрадиційних джерел енергії, до яких можна віднести такі, що безпосередньо перетворюють тепло, хімічну і ядерну енергію у електричну: магнітогідродинамічні установки, реактори-розмножувачі на швидких нейтронах, реактори термоядерного синтезу, термоелектричні генератори, термоемісійні генератори, електрохімічні генератори тощо.

З метою обмеження використання запасів органічних палив останнім часом поширюється використання поновлюваних енергоресурсів: енергію підземних гарячих джерел води, енергію припливів і відпливів світового океану, енергію Сонця, енергію вітру, енергію газу, генерованого у біоенергетичних установках тощо.

Станом на кінець ХХ – початок ХХІ століття в Україні працюють 44 потужні теплові електричні станції (ТЕС), 7 потужних гідравлічних електростанцій (ГЕС) та 5 атомних станцій (АЕС). Сумарна потужність та обсяги виробництва електроенергії цими станціями наведені у табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Потужність електростанцій та обсяги виробництва електроенергії в Україні

Теплові електричні станції. На рис. 1.1 наведена схема виробництва електроенергії на КЕС.

Рис. 1.1. Схема виробництва електроенергії на конденсаційній станції

Технологічний процес на станції з вугільним паливом відбувається за такою схемою: паливо, що надходить у вагонах, розвантажується і подається на вугільні млини; отриманий у млинах вугільний пил подається у котельний агрегат (котел), де вуглець окислюється киснем повітря (спалюється); отримана у процесі спалювання теплота нагріває і перетворює воду, що проходить по кип’ятильних трубах у котлі, у пару; пара з температурою 400 – 650 ⁰С і тиском від 3 до 30 МПа подається у турбіну, обертає її робоче колесо, а разом з ним і ротор генератора. У генераторі механічна енергія перетворюється у електричну, котра передається до електроприймачів; з парової турбіни пара надходить у конденсатор, де охолоджується і конденсується, а далі помпою конденсату (ПК) та живильною помпою (ЖП) повторно подається у котел; розчинені у воді гази видаляються у деаераторі; продукти спалювання (переважно вуглекислий газ та зола) видаляються в атмосферу за допомогою вентилятора , а залишки у вигляді шлаку механічним чи гідравлічним способом видаляють з котла у спеціальні відвали. З метою повнішого використання енергії палива теплом димових газів попередньо підігрівають воду, що подається у котел, та повітря, що бере участь у спалюванні палива (це відбувається у спеціальних пристроях - економайзерах).

На ТЕЦ на відміну від КЕС частину пари відбирають з турбіни і подають у системи опалювання або для інших технологічних потреб. Таким чином ТЕЦ реалізує споживачам теплову і електричну енергію.

Гідроелектростанції. На ГЕС механічна енергія руху води перетворюється на електричну. Залежно від умов місцевості, де споруджується ГЕС, їх поділяють на гребельні, дериваційні та руслові. На гребельних станціях упоперек русла ріки споруджують греблю (рис. 1.2), за допомогою якої рівень води перед нею підвищується й утворює необхідний напір (різницю рівнів води до і після греблі).

Рис. 1.2. Схема виробництва електроенергії на гідравлічній електростанції

У машинному відділенні ГЕС встановлені генератори, головний пульт керування, гідравлічні турбіни та інше обладнання. Для пропуску зайвої води у греблі влаштовують спеціальні шлюзи. Вода з верхнього рівня надходить на лопаті гідравлічної турбіни, обертаючи її робоче колесо. Тут кінетична енергія води перетворюється у механічну енергію обертового руху колеса турбіни. Вода, що пройшла через турбіну, видаляється у ріку на нижньому рівні води.

Ротор генератора з’єднаний з валом турбіни. У генераторі механічна енергія перетворюється у електричну, яка передається у електричну систему. Потужність турбіни вручну чи автоматично регулюють поворотом лопаток напрямного і робочого коліс.

На час ремонту доступ води у спіральну камеру перекривають засувками (це спеціальні щити – шандори, які піднімають чи опускають за допомогою кранових механізмів).

Потужність потоку води Р_П, що проходить через певну перепону – створ, залежить від витрати води Q_В (м³/с), напору Н (м), густини води ρ (кг/м³) та коефіцієнта корисної дії η гідравлічних споруд, турбіни і генератора:

Р_П=9,81· ρ· Q_В· Н·η·10^-3 (кВт).

Гідроакумулювальна електростанція має оборотний гідроагрегат, який може працювати у режимі генератора або у режимі двигуна, що обертає помпу. У час мінімального навантаження у системі помпою перекачують воду з нижньої водойми у верхню, накопичуючи (акумулюючи) її там. Таким чином створюється необхідний напір для роботи станції у часи найбільшого навантаження у системі.

Дериваційні ГЕС споруджують на річках переважно у гірській місцевості. У них вода з русла води (з верхнього рівня) подається до турбін спеціальними водоводами. Різниця рівнів між забиранням і скиданням використаної води складає необхідний напір для турбінної установки. Іноді на верхньому рівні ріки споруджують водосховища для створення необхідного запасу води. Такі станції за потужністю можна віднести до малих ГЕС.

Існують також мікроГЕС, потужність агрегатів яких не перевищує 50 кВт. Для їх роботи як правило не потрібна гребля,- їх занурюють у русло ріки і для обертання турбіни використовують кінетичну енергію водного потоку.

Атомні електростанції – це промислові підприємства, де атомну енергію перетворюють на електричну. Основною частиною атомної станції є атомний реактор (рис. 1.3) .

У реактор завантажують ядерне паливо, що складається з урану-238, збагаченого до 5 % ураном-235. Під час розщеплення урану-235 температура у реакторі значно підвищується. Для уповільнення ядерної реакції між урановими стержнями розташовують стержні з карбідом бору. На час роботи реактора стержні з карбідом бору підняті (вийняті з активної зони реактора). Опускаючи ці стержні, ядерну реакцію можна сповільнювати або цілком припинити. Для захисту від випромінювання реактор поміщають у багатошарову захисну споруду з бетонними (товщина близько 3 м), водяними (товщина до 1 м) і чавунними (товщина до 0,25 м) стінками. Уранові стержні замінюють новими після зменшення вмісту урану-235 до 4 %. Частина урану перетворюється у плутоній-239, який також застосовують як ядерне паливо.

Рис. 1.3. Схема виробництва електроенергії на атомній електростанції

Для безпечного догляду за паровою турбіною та генератором, на атомних станціях застосовують двоконтурну теплову схему (рис. 1.3).

Нагріта у атомному реакторі, вода з високим тиском і температурою подається у парогенератор, по трубах якого проходить вода другого контуру. Після парогенератора пара, не заражена радіоактивністю, подається у парову турбіну. Подальший цикл перетворення енергії подібний до циклу на КЕС.

Вітрові електростанції – станції, де енергія вітру перетворюється у електричну. Тут використовують силу вітру. Силу вітру використовували з давніх давен за допомогою вітряків, однак, через низький ККД таких споруд, для виробництва електроенергії їх практично не використовували. Після переходу на вітряки з металевими лопатями ККД зріс до 15%, що сприяло використанню їх для виробництва електроенергії. Повітря рухається внаслідок різниці температур над поверхнею моря і суші, на вершинах і біля підніжжя гір, а також внаслідок обертання Землі. Кінетична енергія вітрового потоку А дорівнює:

,

де m – маса повітря, кг; v - швидкість вітру, м/с.

Потужність вітрового потоку Р дорівнює:

,

де ρ – густина повітря, кг/м³; F – площа, яку перетинає вітровий потік, м².

Рис. 1.4. Принципова схема вітрової установки

У табл. 1.2 наведена класифікація вітроустановок за потужністю.

Таблиця 1.2

Класифікація вітроустановок

Вітрові установки за конструкцією поділяють на установки з вертикальною віссю та з горизонтальною віссю. На рис. 1.4 наведена принципова схема вітрової установки з горизонтальною віссю. Основні елементи установки: вітроприймальний пристрій – лопаті; редуктор передачі крутильного моменту; електрогенератор, що разом з редуктором розташований у спеціальній гондолі; башта. Лопаті перетворюють силу руху повітря у крутильний момент на валу. Їх можна повертати навколо власної осі, а гондолу – за напрямком вітру.

Вітрове колесо перетворює потужність вітрового потоку у потужність на валу у кращому випадку з коефіцієнтом 0,59, а реально – 0,45. (Наприклад, потужність на валу вітряка з довжиною лопаті 10 м за швидкості вітру 10 м/с і густині повітря 1,22 кг/м³ складає 86 кВт).

Фотоелектричні установки (ФЕУ) – це електричні станції з прямим перетворенням енергії світла у електричну енергію з використанням фотоелементів (рис. 1.5). У США, Японії та деяких інших країнах розробляються і впроваджуються проекти таких установок доволі великої потужності. Ще в 1990 році потужність фотоелементів у світі досягла 48 МВт, з яких 20% - це фотоелементи калькуляторів. У Японії споруджують ФЕУ потужністю 750 кВт. У США планується довести потужність таких установок до 47 МВт, з яких до 30 МВт припадає на установки потужністю від 100 кВт до 1 МВт.

Рис. 1.5. Блок-схема фотоелектричної установки

Принцип дії ФЕУ базується на явищі фотоефекту. Фотоефект – це фотоелектричне явище, що полягає у збудженні та емісії електронів внаслідок проходження фотонів через речовину. Фотон – елементарна нейтральна елементарна частинка, яка виникає під час перебудови структури атома, молекули чи ядра. Він існує лише у русі і тоді має масу та енергію, значення яких пропорційні частоті електромагнітних коливань. Його ще називають квантом світла.

Елементарною конструкційною одиницею фотоелектричного приладу є фотоелемент – електронний прилад, що складається з двох напівпровідникових матеріалів електронної (n) та діркової (p) провідності. У місці стику цих матеріалів виникає р-n-перехід. Відомо, що р-n-перехід характеризується потенціальним бар’єром - різницею потенціалів, під дією якої у зовнішньому електричному колі може проходити струм. Для підтримання струму у електричному колі використовується енергія фотонів, що, попадаючи на напівпровідниковий матеріал, вибиває з його кристалічної решітки електрон, який стає вільним і рухаючись, утворює електричний струм.

Фотоелементи на основі кремнію генерують електричний струм до 25 мА за напруги 0,5 В на 1 см² площі, тобто його потужність складає 12 – 13 мкВт/см². Окремі фотоелементи збирають послідовно-паралельним сполученням у батареї бажаної потужності. Середня потужність батарей становить 50 – 200 Вт. З них будують електричний генератор. Практична ефективність кремнієвих фотоелементів становить 14 – 16%. Вартість генерованої електроенергії на таких станціях - 0,3-0,4 грн/(кВт·год).