Природа богата различными по своему происхождению, количеству, качеству и способу использования энергетическими ресурсами. Такими ресурсами являются залежи угля и торфа, воды рек и морей, тепло солнца и недр земли, энергия ветра и др.
Большинство перечисленных энергетических ресурсов служат для производства электрической энергии, которая широко применяется в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и на транспорте.
Широкое использование электрической энергии объясняется ее особыми свойствами, которыми не обладают другие виды энергии.
1Во-первых, для производства электрической энергии можно использовать большинство природных энергетических ресурсов,
2 во-вторых, ее можно передавать на значительные расстояния с минимальными потерями,
3 в-третьих, легко распределять между отдельными потребителями (заводами, фабриками, шахтами и др.),
4 в-четвертых, сравнительно просто преобразовывать в другие виды энергии, например в тепловую или механическую.
Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях, которые в зависимости от используемых в них энергоносителей подразделяются на
тепловые,
атомные и
гидроэлектрические.
Тепловые электростанции используют тепло угля, торфа, горючих сланцев, нефти и природного газа, сжигаемых в топках котлов.
На тепловой электростанции с паротурбинными приводами генераторов пар для турбин поступает из котлов, в топках которых сжигается топливо, и химическая энергия топлива переходит в тепловую энергию пара. В паровых турбинах тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию, которая приводит во вращение ротор турбины и соединенный с ним ротор генератора. В генераторе посредством электромагнитной индукции механическая энергия превращается в электрическую, являющуюся конечной продукцией электростанции.
Теплоэлектростанция с конденсационной турбиной предназначена для снабжения потребителей только электрической энергией. В такой электростанции питательная вода для котлов, пар и конденсат обращаются по замкнутому циклу. Вода в котле превращается в пар, который по паропроводу поступает в турбину и приводит ее в движение. Далее отработанный пар, пройдя все ступени турбины, поступает в конденсатор, где, соприкасаясь с трубками, заполненными циркулирующей в них холодной водой, подаваемой циркуляционным насосом, охлаждается и превращается в конденсат.
Образовавшийся конденсат подается посредством конденсатного насоса в питательный бак, откуда при помощи питательного насоса по питательному трубопроводу поступает снова в котел.
В процессе обращения часть пара и конденсата теряется: пар расходуется на продувки котлов и испаряется через неплотности в соединениях паропроводов, а количество конденсата уменьшается вследствие утечки. Эти потери восполняются путем добавления свежей воды, подаваемой из водопроводной сети.
Для удаления из конденсата, а главным образом из свежей воды содержащегося в них кислорода воздуха, вызывающего интенсивное окисление и вследствие этого быстрое разрушение кипятильных труб котла и паропроводов, служит специальный аппарат — деаэратор. Процесс удаления из воды кислорода воздуха называется деаэрацией. Деаэрация производится путем подогрева воды в деаэраторе до температуры, при которой происходит интенсивное выделение из воды растворенного в ней воздуха, содержащего кислород.
Если помимо электроэнергии тепловая электростанция снабжает расположенных вблизи потребителей паром и горячей водой, то такую электростанцию принято называть теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). В ТЭЦ пар из котла подается в турбину, где преобразуется в механическую энергию, приводящую в движение ротор генератора, в котором механическая энергия, в свою очередь, преобразуется в электрическую.
Отработавший пар поступает из турбины в конденсатор, где, охлаждаясь посредством холодной воды, подаваемой в конденсатор циркуляционным насосом, превращается в конденсат, который насосом подается в питательный бак, а затем насосом по трубопроводу питательной воды в котел.
Пар на нужды теплофикации и производства отбирается из промежуточных ступеней турбины. Часть пара, предназначенного на нужды теплофикации, расходуется на подогрев в водоподогревателе воды, идущей на отопление.
По своей сущности тепловой станцией является и атомная электростанция (АЭС), где источником энергии является процесс деления ядер атомов некоторых изотопов (урана и плутония), осуществляемый в ядерных реакторах. Делящиеся вещества (уран-235, плутоний-239 и др.) называют ядерным топливом или ядерным горючим. Тепло, выделяемое ядерным горючим, используется для превращения воды в пар, который затем подается в паровую турбину и совершает ту же работу, что и на тепловой электростанции.
В гидроэлектростанциях, сооружаемых на реках, используется напор воды, подаваемой в гидротурбину, которая вращает вал ротора электрического генератора, вырабатывающего электрическую энергию.
Строительству электростанций в нашей стране уделяется большое внимание, но следует отметить, что наибольший удельный вес в общей мощности электростанций России занимают тепловые электростанции, а не гидроэлектростанции (примерно 80% всей вырабатываемой электроэнергии производят тепловые электростанции, а 20 % — гидроэлектростанции), несмотря на то, что последние (ГЭС) имеют более высокий коэффициент полезного действия, более низкую стоимость каждого вырабатываемого киловатт-часа электроэнергии и меньшие эксплуатационные расходы. Это объясняется тем, что сооружение тепловых электростанций по сравнению с сооружением гидроэлектростанций аналогичной мощности требует меньших первоначальных капиталовложений и может быть осуществлено в более короткие сроки.
В зависимости от потребителей электрической энергии электростанции подразделяются на
1 городские,
2сельские и
3 промышленные.
Такое подразделение применимо, как правило, к изолированно работающим электростанциям небольших мощностей, так как мощные электростанции соединены общей электрической сетью и образуют электросистему или энергосистему, от которой и осуществляется электроснабжение всех потребителей электроэнергии. Отдельные энергосистемы, в свою очередь, объединяют с помощью линий электропередачи, что способствует улучшению технико-экономических показателей их работы.
Электрические станции зачастую бывают отдалены от места потребления вырабатываемой ими электроэнергии на значительные расстояния. Это объясняется тем, что тепловые электростанции экономически более выгодно строить вблизи месторождений топлива и передавать вырабатываемую станцией электроэнергию к месту потребления, чем строить электростанции в месте потребления электроэнергии и подвозить к ним топливо с далеко расположенных угольных шахт или торфоразработок.
Гидроэлектростанции строят на реках, преграждаемых плотинами и, как правило, отдаленных от потребителей электроэнергии. Поэтому при строительстве ГЭС также возникает необходимость передачи электрической энергии на большие расстояния, осуществляемой с помощью линий электропередачи. Передача электрической энергии сопровождается известными потерями в передающих сетях.
Известно, что при передаче электроэнергии потери мощности (Р) в проводах линии зависят от силы тока и от величины сопротивления проводов:
где I — сила тока, а,
r — сопротивление проводов линии, Ом.
Для уменьшения потерь в линии при сохранении величины передаваемой мощности нужно снизить силу тока, поскольку потери в линии пропорциональны квадрату силы тока и ее уменьшение, например, в 10 раз снижает потери почти в 100 раз. Снизить силу тока в линии можно путем соответствующего повышения напряжения, так как при заданной мощности сила тока обратно пропорциональна напряжению. Иначе говоря, при неизменной передаваемой мощности сила тока в линии будет уменьшаться с повышением напряжения.
Передача электроэнергии от электростанций к потребителям осуществляется по проводам линий электропередачи (ЛЭП) и по кабельным линиям на стандартных напряжениях 6, 10, 35, 110 кВ и выше. Чем дальше расстояние и больше передаваемая мощность, тем большим должно быть напряжение в передающей сети.
Так, например, передача электроэнергии Куйбышевская ГЭС — Москва на расстояние около 1000 км осуществляется на напряжении 500 кВ, а Куйбышевская ГЭС — Донбасс — на напряжении 800 кВ. Напряжения строящихся линий электропередачи будут в недалеком будущем достигать 1000 кВ и выше.
Для передачи и распределения электрической энергии, помимо передающих сетей необходимы также трансформаторные и распределительные подстанции.