В современном мире для питания различных нагрузок, машин, установок, - используется электрическая энергия. Причина в том, что электричество несложно генерировать, его удобно хранить и легко передавать на расстояние к потребителям по проводам. Однако энергия данного вида, к сожалению, не доступна в необходимом количестве в природе в качестве первичной. Поэтому электрическую энергию приходится получать искусственно - путем генерации (преобразования) из других первичных источников энергии, которые доступны, однако, более широко.
Принцип промышленного производства электрической энергии, который используется сегодня повсюду, был открыт еще в начале 19 века Майклом Фарадеем. Он заключается в том, что при пересечении замкнутым проводящим контуром магнитного поля, в этом контуре возникает (благодаря явлению электромагнитной индукции) электрический ток.
На данном принципе основана работа всех современных генераторов переменного тока, в том числе и установленных на промышленных электростанциях. Генерация электрической энергии на электростанциях осуществляется сегодня централизованно благодаря работе мощных генераторов.
Генерируемое на станции переменное напряжение повышается при помощи трансформаторов, после чего его можно передавать по проводам с минимальными потерями на значительные расстояния. На стороне потребителя высокое напряжение, опять же при помощи трансформаторов, понижается, и подается в сеть электроснабжения.
Итак, от генераторов электрическая энергия передается, распределяется и при необходимости аккумулируется (накапливается) тем или иным способом. Данный подход к электрификации стал в свое время общедоступным для всего человечества благодаря работам Николы Тесла.
Сегодня производство и потребление электрической энергии во всем мире все более и более возрастает, поэтому тема производства электроэнергии ничуть не утрачивает своей былой актуальности.
Главное, что происходит на любой электростанции — ротор генератора приводится во вращение соосно закрепленной на нем турбиной, которая получает кинетическую энергию от рабочего агента. Так электростанции, в зависимости от вида данного агента, подразделяются на гидравлические и тепловые. Далее давайте рассмотрим способы получения электроэнергии на электростанциях.
Гидроэлектростанции
Отрасль производства электричества на гидроэлектростанциях называется гидроэнергетикой. Несложно догадаться, что речь здесь идет об использовании кинетической энергии потока воды в качестве первичного источника энергии.
Гидроэлектростанции или ГЭС строятся на реках, где с помощью искусственно возводимых плотин достигается необходимый перепад уровней воды. В итоге вода переливается через верхнюю часть (верхний бьеф) плотины и под действием силы тяжести устремляется вниз, двигаясь по специально предназначенным водоводам, внутри которых стоят водяные турбины, лопасти которых приводятся во вращение потоком падающей воды. А турбина, соответственно, вращает генератор.
Для разгрузки электрических сетей в часы пиковых нагрузок служат так называемые гидроаккумулирующие электростанции. Данные электростанции нельзя считать чисто генерирующими, поскольку они и вырабатывают энергию и потребляют ее, в зависимости от режима работы станции и электросети. Тем не менее гидроаккумулирующие электростанции считаются особой разновидностью гидроэлектростанций.
Тепловые электростанции
Тепловые электростанции относятся к предприятиям тепловой энергетики. Здесь электрическая энергия получается по сути из тепловой энергии, высвобождаемой при сжигании органического топлива. В качестве топлива на тепловых электростанциях широко используются различные горючие ископаемые: уголь, природный газ, реже — мазут, ранее — торф и горючие сланцы. Тепловые электростанции подразделяются на теплофикационные и конденсационные.
Конденсационная электростанция или КЭС служит только для получения электрической энергии. Выделяемое при сжигании топлива тепло нагревает воду в парогенераторе, в результате образуется перегретый водяной пар, который и подается на лопасти паровой турбины. Турбина установлена соосно с электрическим генератором.
Таким образом энергия пара преобразуется сначала в механическую энергию вращения ротора генератора, а затем — в электрический ток, который подается в сеть. Пар, который прошел через турбину, отводится в конденсатор, где снова становится водой, которая затем опять прокачивается через парогенератор.
Теплофикационные электростанции или ТЭЦ (теплоэлектроцентрали) служат одновременно для двух целей — для получения электрической энергии и для производства тепла для отопления. То есть часть получаемой при сжигании топлива тепловой энергии напрямую используется для целей обогрева.
Таким образом эффективность тепловой электростанции возрастает, поскольку получать только электричество на конденсационных станциях, а тепло — в отдельных котельных, - менее выгодно.
Атомная электростанция
Атомные электростанции относятся к предприятиям ядерной энергетики. На атомных электростанциях или АЭС, так же как и на тепловых электростанциях, турбину вращает пар. Однако тепло получается здесь не от сжигания органического топлива, а в процессе ядерной реакции, протекающей в реакторе.
Парогенератор получает от атомного реактора тепло, интенсивно образующийся пар подается на лопасти турбины, турбина соосно вращает ротор генератора. Атомные электростанции используются только для производства электричества, в отличие от теплофикационных электростанций.
Альтернативные источники электроэнергии
Альтернативные способы получения электричества относятся к возобновляемой энергетике. По сравнению с традиционными способами, данные подходы к генерации имеют ряд преимуществ, однако на данный момент они не так сильно распространены как АЭС, ТЭЦ, КЭС и ГЭС. Тем не менее давайте рассмотрим основные виды альтернативных источников электроэнергии.
Ветроэнергетика подразумевает преобразование в электричество кинетической энергии ветра. Турбина в данном случае приводится во вращение ветром, а сама - вращает генератор, установленный на мачте.
Кстати, согласно закону Беца, определяющему максимальную энергию, которую можно получить от «гидравлического ветрового двигателя», или ветрогенератора, КПД ветряка не может быть более 59,3%.
Гелиоэнергетика или солнечная энергетика, предлагает получать электричество путем преобразования энергии фотонов солнечного излучения с помощью фотоэлектрического эффекта. Для этого служат солнечные батареи.
На данный момент КПД солнечных батарей достигает 30%, однако стоимость их производства до сих пор уступает в конечном счете электростанциям с традиционными генераторами. Но для малонаселенных мест, где доступа к централизованным сетям нет, солнечные электростанции остаются порой единственным выходом для организации электрификации частных хозяйств и даже предприятий.
Кстати, до недавнего времени именно солнечные элементы всегда использовались на орбитальных космических станциях.
На сегодняшний день солнечная энергетика развивается по показателям установленной мощности на 40% каждый год. Главными ее потребителями сейчас выступают: Марокко, Германия, Китай, Япония и США.
Но у ветряных и солнечных электростанций есть один серьезный минус — они требуют крупных, энергоемких систем аккумуляции электричества, поскольку ветер и солнце не всегда доступны, ведь часто погода бывает безветренной и пасмурной, а ночью солнечного света нет в принципе.
Горячие источники и термальные подземные воды являются объектами внимания геотермальной энергетики. Здесь принцип похож на ТЭЦ и АЭС с той разницей, что источником тепла выступает не сжигаемое топливо или ядерная реакция, а естественно тепло из недр Земли. Но географически не везде имеется доступ к «подземному» теплу, а в основном лишь в регионах высокой тектонической активности.
Водородная энергетика считается на сегодняшний день одной из самых перспективных среди альтернативных подходов к генерации электричества, поскольку водород отличается высоким КПД сгорания, при этом широко доступен и экологически безопасен (при сжигании водорода получается дистиллированная вода). Но технологически пока есть сложности с промышленным получением водорода, а также с его транспортировкой в больших объемах (взрывоопасен).
Кинетическая энергия морских волн и приливов является объектом внимания гидроэнергетики, приливной и волновой энергетики. Но здесь необходимо сочетание очень многих факторов: электростанция должна быть возведена на побережье на котором приливы и волны достаточно сильны, часты и устойчивы. А таких уникальных мест явно немного.
Еще один гипотетический подход к альтернативной генерации — осмотические электростанции. Принцип работы такой электростанции основан на диффузии жидкостей. Соленая и пресная вода при смешивании дают увеличение энтропии в жидкости.
Соленая вода подается в один отсек, пресная — в другой отсек. Отсеки разделены осмотической мембраной. Молекулы воды из отсека с пресной водой стремятся выровнять концентрацию солей, и проходят через мембрану в отсек с морской (соленой) водой. В результате, в отсеке с соленой водой возрастает давление, что позволяет воде вращать гидротурбину, соединенную с генератором. Технология находится на стадии эксперимента.
Электрохимические источники энергии
Прямое преобразование энергии химических связей веществ в электричество реализуется в электрохимических источниках, таких как батареи и аккумуляторы. Цинк-углеродные батареи позволяют напрямую получать электроэнергию и относятся к первичным источникам.
Вторичные источники — аккумуляторы — позволяют не только вырабатывать, но и хранить электроэнергию на протяжении длительного времени.
Топливные элементы относятся к электрохимическим системам открытого типа, и служат для получения электроэнергии из природного или синтетического топлива.
Андрей Повный
Смотрите также:
Принцип работы распространенных видов гальванических элементов и аккумуляторов
Современные устройства накопления энергии, самые распространенные типы накопителей энергии
Действительно ли возобновляемые источники энергии дороже ископаемого топлива?
Энергетика и парниковый эффект: от ископаемого топлива к ВИЭ