Производство, передача и использование электроэнергии

По схеме использования  водных ресурсов и концентрации напоров ГЭС обычно подразделяют на русловые, приплотинные, деривационные с напорной и безнапорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные. 

В русловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, перегораживающей реку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некоторое затопление долины реки. Русловые и приплотинныс ГЭС строят и на равнинных многоводных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах.  Для русловых ГЭС характерны напоры до 30—40 м.

При более высоких напорах  оказывается нецелесообразным передавать на здание ГЭС гидростатичное давление воды. В этом случае применяется тип плотиной ГЭС, у которой напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС располагается за плотиной, примыкает к нижнему бьефу.

Другой вид компоновки приплотинная ГЭС соответствует горным условиям при сравнительно малых расходах реки.

В деривационных ГЭС концентрация падения реки создаётся посредством деривации; вода в начале используемого участка реки отводится из речного русла водоводом, с уклоном, значительно меньшим, чем средний уклон реки на этом участке и со спрямлением изгибов и поворотов русла. Конец деривации подводят к месту расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвращается в реку, либо подводится к следующей деривационной ГЭС. Деривация выгодна тогда, когда уклон реки велик.

Особое место среди  ГЭС занимают гидроаккумулирующие  электростанции (ГАЭС) и приливные  электростанции (ПЭС). Сооружение ГАЭС обусловлено ростом потребности  в пиковой мощности в крупных энергетических системах, что и определяет генераторную мощность, требующуюся для покрытия пиковых нагрузок. Способность ГАЭС     аккумулировать энергию основана на том, что свободная в энергосистеме в некоторый       период времени электрическая энергия используется агрегатами ГАЭС, которые, работая в режиме насоса, нагнетают воду из водохранилища в верхний аккумулирующий бассейн. В период пиков нагрузки аккумулированная энергия возвращается в энергосистему (вода из верхнего бассейна поступает в напорный трубопровод и вращает гидроагрегаты, работающие в режиме генератора тока).

ПЭС преобразуют энергию  морских приливов в электрическую. Электроэнергия приливных ГЭС в силу некоторых особенностей, связанных с периодичным характером приливов и отливов, может быть использована в энергосистемах лишь совместно  с энергией  регулирующих электростанций, которые восполняют провалы мощности приливных электростанций в течение суток или месяцев.

Важнейшая особенность гидроэнергетических  ресурсов по сравнению с топливно-энергетическими  ресурсами — их непрерывная возобновляемость. Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низкую себестоимость вырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооружению ГЭС, несмотря на значительные, удельные капиталовложения на 1 кВт установленной мощности и продолжительные сроки строительства, придавалось и придаётся большое значение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.

Атомная электростанция (АЭС), электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основе ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu). Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран, плутоний и др.)  существенно превышают энергоресурсы природных запасов органического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открывает широкие перспективы для удовлетворения быстро растущих потребностей в топливе. Кроме того, необходимо учитывать всё увеличивающийся объём потребления угля и нефти для технологических целей мировой химической промышленности, которая становится серьёзным конкурентом тепловых электростанций. Несмотря на открытие новых месторождений органического топлива и совершенствование способов его добычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению его стоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченные запасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшего развития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место в энергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

Принципиальная схема  АЭС с ядерным реактором, имеющим  водяное охлаждение, приведена на рис. 2. Тепло, выделяемое в активной зоне реактора теплоносителем,   вбирается водой 1-го контура, которая прокачивается  через реактор циркуляционным насосом. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образуется пар, который затем поступает в турбину 4.

Наиболее часто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах:

1) водо-водяные с обычной  водой в качестве замедлителя  и теплоносителя;

2) графитоводные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем;

3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя;

4) граффито - газовые с  газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.

Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным  образом накопленным опытом в реактороносителе, а также наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запасов и т. д.

К реактору и обслуживающим  его системам относятся: собственно реактор с биологической защитой, теплообменники, насосы или газодувные установки, осуществляющие циркуляцию теплоносителя, трубопроводы и арматура циркуляции контура, устройства для перезагрузки ядерного горючего, системы специальной вентиляции, аварийного расхолаживания и др.

Для предохранения персонала  АЭС от радиационного облучения  реактор окружают биологической  защитой, основным материалом для которой  служат бетон, вода, серпантиновый песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностью герметичным. Предусматривается система контроля мест возможной утечки теплоносителя, принимают меры, чтобы появление не плотностей и разрывов контура не приводило к радиоактивным выбросам и загрязнению помещений АЭС и окружающей местности. Радиоактивный воздух и небольшое количество паров теплоносителя, обусловленное наличием протечек из контура, удаляют из необслуживаемых помещений АЭС специальной системой вентиляции, в которой для исключения возможности загрязнения атмосферы предусмотрены очистные фильтры и газгольдеры выдержки. За выполнением правил радиационной безопасности персоналом АЭС следит служба дозиметрического контроля.

Наличие  биологической защиты, систем специальной вентиляции и аварийного расхолаживания и службы дозиметрического контроля позволяет полностью обезопасить обслуживающий персонал АЭС от вредных воздействий радиоактивного облучения.

АЭС, являющиеся наиболее современным  видом электростанций,  имеют ряд существенных преимуществ перед другими видами электростанций: при нормальных условиях функционирования они абсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источнику сырья и соответственно могут быть размещены практически везде. Новые энергоблоки имеют мощность практически равную мощности средней ГЭС, однако коэффициент использования установленной мощности на АЭС (80%) значительно превышает этот показатель у ГЭС или ТЭС.

Значительных недостатков  АЭС при нормальных условиях функционирования практически не имеют. Однако нельзя не заметить опасность АЭС при  возможных форс-мажорных обстоятельствах: землетрясениях, ураганах, и т. п. - здесь старые модели энергоблоков представляют потенциальную опасность радиационного заражения территорий из-за неконтролируемого перегрева реактора.

Альтернативные источники  энергии.

Энергия солнца.

В последнее время интерес  к проблеме использования солнечной  энергии резко возрос, ведь потенциальные  возможности энергетики, основанной на использование непосредственного  солнечного излучения, чрезвычайно  велики.

Простейший коллектор  солнечного  излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило,  алюминиевый)  лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии,  поглощенной  коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования.

Солнечная энергетика относится  к наиболее  материалоемким видам производства   энергии.  Крупномасштабное  использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение  потребности в материалах,  а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья,  его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.

Пока еще электрическая  энергия, рожденная солнечными лучами,  обходится  намного  дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проведут  на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Ветровая энергия.

Огромна энергия  движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы  гидроэнергии  всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры. Климатические  условия позволяют  развивать ветроэнергетику на огромной территории.

Но в наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Потому к созданию конструкций ветроколеса-сердца любой ветроэнергетической установки привлекаются специалисты-самолетостроители,  умеющие выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Энергия Земли.

Издавна люди знают  о  стихийных  проявлениях  гигантской энергии,  таящейся в недрах земного шара.  Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле.  Мощность извержения  даже  сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека.  Правда,  о  непосредственном  использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится, нет пока у людей  возможностей  обуздать  эту  непокорную стихию.

Энергия Земли пригодна не только для отопления помещений, как это происходит в Исландии, но и для получения электроэнергии. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные  источники.  Первая такая электростанция,  совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло.  Постепенно мощность  электростанции росла,  в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в  наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч  киловатт.

Передача электроэнергии.

Трансформаторы. 

 

Вы приобрели холодильник  ЗИЛ. Продавец вас предупредил, что  холодильник рассчитан на напряжение в сети 220 В. А у вас в доме сетевое напряжение 127 В. Безвыходное  положение? Ничуть. Просто придется сделать  дополнительную затрату и приобрести трансформатор.

Трансформатор — очень простое устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижать напряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощью трансформаторов. Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н. Яблочковым для питания изобретенных им «электрических свечей» — нового в то время источника света. Идея П. Н. Яблочкова была развита сотрудником Московского университета И. Ф. Усагиным, сконструировавшим усовершенствованные трансформаторы.

Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.

 
                        

Рис.1                                                                             Рис.2

Схема устройства трансформатора с двумя обмотками приведена на рисунке 2, а принятое для него условное обозначение — на рис. 3.

 
                                                                

Рис. 3.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Причем мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой:

е = - Δ Ф/ Δ t

Если Ф = Ф₀ соsωt, то

е = ω Ф₀ sinωt, или                                               

е = E₀ sinωt ,

где E₀= ω Ф₀ - амплитуда ЭДС в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей  п₁ витков, полная ЭДС индукции e₁ равна п₁е.

Во вторичной обмотке  полная ЭДС. е₂  равна п₂е, где п₂ - число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что                                               

e₁ е_{2 =} п₁ п₂.                 (1)

Сумма напряжения u₁, приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e₁ должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u₁ + e₁ = i₁ R₁,  где R₁ - активное сопротивление обмотки, а i₁ - сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего уравнения. Обычно активное сопротивление обмотки мало и членом i₁ R₁ можно пренебречь. Поэтому

u₁   ≈ - e₁.            (2)

При разомкнутой вторичной  обмотке трансформатора ток в  ней не течет, и имеет место  соотношение:

u₂ ≈ - e₂.                                 (3)

Так как мгновенные значения ЭДС e₁ и e₂ изменяются синфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением действующих значений E₁ и E₂ этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений  U₁ и U₂.