Электростанция – комплекс оборудования и установок, которые преобразуют какой-либо вид природной энергии в электрическую. Станция передает энергию на большие расстояния, тем самым обеспечивая электричеством крупные районы.
История появления и развития электростанций
Потребительский интерес к электричеству возник, когда появилась возможность генерировать электрический ток. Первым преобразователем такого рода стала паровая машина, улучшенная шотландским инженером-изобретателем Джеймсом Уаттом. В 1871 году Зеноб Грамм изобрел обмотки якорей, что позволяло вырабатывать ток в промышленном масштабе. В 1878 году появилась первая электростанция. Спроектирована и построена она была в частном порядке бароном Уильямом Армстронгом и обеспечивала отопление, освещение и работу некоторых машин в его поместье.
Затем электростанции стали использовать для освещения улиц. В 1881 в Годаминге, Англия, городские власти посчитали требования газовой компании по цене освещения улиц грабительскими. Мэрия отвергла контракт и договорилась с владельцем водяной мельницы об установке на ней электрической машины. Последняя обеспечивала электричеством 7 дуговых ламп и 40 ламп накаливания. Практически такая же история произошла и в Санкт-Петербурге, где с 1897 года Литейный мост освещала установка, созданная при участии Яблочкова.
Однако электростанции такого рода могли генерировать ток только по месту и не передавали его на большое расстояние. Установки обеспечивали работу 1 фабрики или даже части, отдельной осветительной сети. Тем не менее электростанции появились во всех крупных городах и предназначались в первую очередь для освещения улиц.
Проблему централизованного снабжения током решили другим способом. В Лондоне в 1884 году построили электростанцию, подающую переменный ток. Появление трансформатора позволило передать ток на большие расстояния. Такие же вскоре появились и в России. Одесская станция снабжала электричеством потребителей в радиусе 2,5 км, а Царскосельская ТЭС подавала ток на расстоянии в 64 км.
Первые станции переменного тока были однофазными и годились для обеспечения работы только сетей освещения. Но уже в 1889 году русский инженер Доливо-Добровольский запатентовал трехфазный трансформатор, работающий при напряжении выше 300 В. Он обеспечивал передачу тока на расстояние в 170 км.
Дальнейшее развитие электроснабжения упиралось в материал кабелей и относительную мощность оборудования. Благодаря усовершенствованиям стало возможным обеспечить электроснабжение удаленных объектов. Промышленность породила потребность в крупных централизованных станциях.
Традиционные типы электростанций
Классификация комплексов по добыче энергии производится по самым разным признакам. Определяющим фактором выступают источники электроэнергии и принцип работы.
Различают следующие виды электростанций.
- Атомные – система базируется на реакции деления и синтеза. Последние существуют только в проекте.
- Газовые – используют природное топливо. Разделяются на электростанции, работающие на газе из месторождений и на рудничном, болотном газе.
- Жидкотопливные – дизельные или бензиновые. Такие станции носят локальный характер.
- Твердотопливные – угольные и торфяные.
- Гидроэлектростанции – используют работу водяного потока в самых разных вариантах. Сегодня существуют комплексы, использующие силу прилива и отлива, эксплуатирующие морские течения, русловые и прочие варианты.
Выделяют станции нетрадиционные: ветровые, гелиостанции.
К классическим вариантам относят тепловые станции, которые используют тепло для получения энергии, гидроэлектростанции, эксплуатирующие водные потоки, и атомные.
Тепловые
Водяной пар является теплоносителем. В нагретом состоянии он сам становится источником энергии. По сути, это усовершенствованная паровая машина.
Различают ТЭЦ и ТЭС. ТЭС рассчитана на получение только электроэнергии. ТЭЦ, помимо генерирования тока, подает горячую воду. Принцип работы обоих комплексов почти одинаков.
В топку подают одновременно топливо и разогретый воздух в качестве окислителя. Чаще всего для теплоэлектростанций берут уголь. Однако торфяные могут работать и на брикетах. Топливо измельчено до состояния пыли, чтобы обеспечить максимально полное сгорание. Тепло от сгорания нагревает воду, превращая ее в пар. Последняя подается на паровую турбину. Водяной пар заставляет вращаться ротор генератора и преобразует энергию тепла в электричество.
Пар попадает к конденсатору, где вновь превращается в воду. Насосом воду перекачивают в реактивные нагреватели, затем в деаэратор. Здесь вода освобождается от газов, поскольку они провоцируют коррозию оборудования и вновь подается в котел.
Другой вариант сооружения – газовые электростанции. Здесь котел отсутствует, а всю работу выполняют газотурбинные установки. Выбросы продуктов сгорания в этом случае минимальны.
Технологию ТЭЦ считают не экологичной, так как она приводит к выбросу в атмосферу углекислого газа.
Атомные
Опыты по использованию атомной энергии при работе генераторов проводились с 1948 года. Первая в мире АЭС была построена в СССР под руководством академика Курчатова.
Так же как тепловые, атомные делят на АЭС – вырабатывающие только электроэнергию, и АТЭЦ – подающие горячую воду. Схема работы не слишком отличается от тепловой станции, так как в конечном итоге двигающей силой здесь выступает пар. Но источником нагрева является ядерный реактор.
В результате протекания ядерной реакции в реакторе выделяется тепло. Оно передается теплоносителю первого контура. Жидкость уходит на теплообменник – парогенератор, где нагревает до кипения теплоноситель во втором контуре. Отсюда пар подается на турбину, при вращении которой и вырабатывается электрический ток. Затем пар охлаждается, в конденсаторе дегазируется и подается вновь во второй контур. Оба контуры замкнуты.
Сложность представляет и утилизация отработанного ядерного топлива.
Гидроэлектростанции
Такой комплекс использует в качестве движущей силы естественные природные явления: приливы и отливы, течение рек, силу падающего потока и прочее. Топливо для работы станций не нужно, что делает стоимость полученного таким образом электричества минимальной.
Создают или находят водяной поток нужной мощности – водопад, морское течение. Чаще перепад давлений создают искусственно, сооружая плотину. Сдерживаемая перед плотиной вода при выпуске вырывается с большим напором и приводит в действие лопасти гидротурбин. Они и превращают энергию движения воды в электричество.
Мощность ГЭС зависит от напора воды. Малые станции вырабатывают до 5 МВт, крупные – от 25 МВт и больше.
Нетрадиционные способы производства электроэнергии
Производство электроэнергии возможно и другими методами. Большинство из них тоже являются вариантами природопользования, что решает вопрос с топливом. Однако они не так распространены из-за невысокой производительности.
- Ветроэнергетика – используют силу потока воздуха. Ветер крутит лопасти турбин, вырабатывается электричество. Существенный минус установки: полная зависимость от силы ветра. Плюс: даровая энергия и абсолютная экологичность. В Дании 48% электричества получают с помощью автономных ветровых установок.
- Биотопливо – модифицированная тепловая станция, использует в качестве топлива отходы: стружку, паллеты, лузгу, солому, синтез-газ и прочее.
- Гелиоэнергетика – производство электроэнергии обеспечивает излучение солнца. Принцип работы разный. Солнечный коллектор нагревает воду для отопления. При нагреве воды до пара можно использовать последний для получения электричества. В энергетической башне пары воздуха сильно нагреваются в очень большом парнике. Кинетическую энергию восходящего потока воздуха преобразователь превращает в электричество.
- Геотермальная станция – рациональный, пассивный вариант. Для нагрева воды для отопления и даже для получения тока используется разница между температурой почвы выше и ниже уровня замерзания.
