Вироблення електричної енергії

Рівень розвитку продуктивних сил суспільства, здат­ність виробляти матеріальні блага і створювати кращі матеріальні умови для життя визначається рівнем вироб­ництва і споживання енергії, насамперед електричної. Електрична енергія має значні переваги перед іншими видами енергії. її можна передавати проводами на великі відстані з порівняно малими втратами і легко перетворю-

вати в інші види енергії: механічну (двигуни), внутрішню (електронагрівальні прилади), світлову (лампи розжарю­вання), хімічну (заряджання акумуляторів). Швидке зро­стання продуктивності праці за останнє сторіччя значною мірою обумовлене широким використанням електроенергії. Пояснюється це кількома факторами. Назвемо два з них.

По-перше, великі заводи й фабрики споживають багато виробничої сировини і енергії. Основні природні джерела енергії — річні потоки, поклади органічного палива (наф­ти, вугілля і газу) — не завжди розташовані поблизу від місць виробництва. Тому виникає проблема транспорту­вання палива від місця його добування до промислового підприємства. Перевезення палива помітно підвищують його вартість, що в кінцевому результаті гальмує розвиток промисловості. Передача електроенергії проводами обхо­диться набагато дешевше.

По-друге, енергія, яку дістають від одного потужного джерела, значно дешевша, ніж енергія, що її виробляють кілька малопотужних джерел. Отже, економічно вигідно виробляти енергію за допомогою одного потужного джере­ла, а потім розподіляти її між споживачами (верстати, механізми, печі тощо).

Виробляється електрична енергія на електростанціях в основному за допомогою розглянутих вище індукційних генераторів. Зараз існує три основні типи електростанцій: теплові (ТЕС), гідроелектричні (ГЕС) і атомні (АЕС).

На теплових електростанціях енергія різних видів палива (вугілля, газу, нафти, торфу, горючих сланців) пере­творюється в електричну енергію за допомогою електро­генераторів, які приводяться в обертання паровими і газо­вими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння. Більшість сучасних потужних теплових електростанцій є паротурбінними. В парогенераторах електростанцій пере­гріта (до 500—560 °С) пара під великим тиском (до 2,4 X Х10' Па) спрямовується в турбіну. Об'єм пари зростає, а тиск відповідно падає, при цьому потенціальна енергія стисненої пари перетворюється в кінетичну. В турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору тур­біни. Вал турбіни жорстко з'єднаний з валом електрогене­ратора, таким чином турбіна приводить в обертання ротор електрогенератора. Наші заводи виготовляють парові турбіни потужністю 200, 300, 500 і 800 МВт.

ККД паротурбінних електростанцій досягає 40 %. Більша частина енергії палива втрачається разом з гаря­чою відпрацьованою парою. Важливим напрямом підви-

щення економічності теплових електростанцій є тепло­фікація — використання значної частини кількості теплоти відпрацьованої пари для потреб заводів, фабрик, для опалення і гарячого водозабезпечення житлових будинків тощо. В результаті ККД ТЕЦ підвищується до 60—80 %. Тому в нашій країні споруджуються, як правило, ТЕЦ, що сприяють економії палива.

На вітчизняних теплових електростанціях все ширше застосовуються газові турбіни. В камері згоряння такої турбіни згоряє рідке або газоподібне паливо, яке подається разом з необхідною кількістю повітря. Продукти згоряння у вигляді газу, який має високу температуру й тиск, спря­мовуються на робочі лопатки газової турбіни і приводять в обертання ротор електричного генератора. ККД газо­турбінних станцій не нижчий, ніж паротурбінних, але вартість їх спорудження значно нижча, особливо при наявності висококалорійного горючого газу.

На гідроелектростанціях (ГЕС) відбувається перетво­рення потенціальної енергії піднятої греблею води в елек­тричну енергію. Ротори електрогенераторів приводяться в обертання гідравлічними турбінами. Потужність ГЕС залежить від створюваної греблею різниці рівнів води (напору) і від маси води, яка проходить через турбіни станції за секунду (витрата води).

В останні роки все більшу роль в електроенергетиці відіграють атомні електростанції (АЕС). Принцип їх роботи грунтується на використанні внутрішньої енергії, яка виді­ляється в ядерних реакторах внаслідок регульованої лан­цюгової реакції поділу ядер урану або плутонію. Більш де­тально з будовою і роботою АЕС ви ознайомитесь пізніше.

В сучасній промисловості широко застосовується змін­ний струм частотою 50 Гц. Змінний струм має ту перевагу перед постійним, що напругу й силу цього струму можна в дуже широких межах перетворювати (трансформувати) майже без втрат енергії. Такі перетворення необхідні в ба­гатьох електро- і радіотехнічних пристроях. Однак особ­ливо велика необхідність в трансформації напруги й сили струму виникає, коли електроенергія передається на вели­кі відстані.

Електричні машини, які перетворюють енергію того чи іншого виду в електричну, називають генераторами. До генераторів відносять гальванічні елементи, електро­статичні машини, термобатареї, фотоелементи (сонячні батареї) тощо. Генератором є і велетенський електро­генератор Дніпровської ГЕС і батарейка кишенькового

вати в інші види енергії: механічну (двигуни), внутрішню (електронагрівальні прилади), світлову (лампи розжарю­вання), хімічну (заряджання акумуляторів). Швидке зро­стання продуктивності праці за останнє сторіччя значною мірою обумовлене широким використанням електроенергії. Пояснюється це кількома факторами. Назвемо два з них.

По-перше, великі заводи й фабрики споживають багато виробничої сировини і енергії. Основні природні джерела енергії — річні потоки, поклади органічного палива (наф­ти, вугілля і газу) — не завжди розташовані поблизу від місць виробництва. Тому виникає проблема транспорту­вання палива від місця його добування до промислового підприємства. Перевезення палива помітно підвищують його вартість, що в кінцевому результаті гальмує розвиток промисловості. Передача електроенергії проводами обхо­диться набагато дешевше.

По-друге, енергія, яку дістають від одного потужного джерела, значно дешевша, ніж енергія, що її виробляють кілька малопотужних джерел. Отже, економічно вигідно виробляти енергію за допомогою одного потужного джере­ла, а потім розподіляти її між споживачами (верстати, механізми, печі тощо).

Виробляється електрична енергія на електростанціях в основному за допомогою розглянутих вище індукційних генераторів. Зараз існує три основні типи електростанцій: теплові (ТЕС), гідроелектричні (ГЕС) і атомні (АЕС).

На теплових електростанціях енергія різних видів палива (вугілля, газу, нафти, торфу, горючих сланців) пере­творюється в електричну енергію за допомогою електро­генераторів, які приводяться в обертання паровими і газо­вими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння. Більшість сучасних потужних теплових електростанцій в паротурбінними. В парогенераторах електростанцій пере­гріта (до 500—560 °С) пара під великим тиском (до 2,4X X10' Па) спрямовується в турбіну. Об'єм пари зростав, а тиск відповідно падає, при цьому потенціальна енергія стисненої пари перетворюється в кінетичну. В турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору тур­біни. Вал турбіни жорстко з'єднаний з валом електрогене­ратора, таким чином турбіна приводить в обертання ротор електрогенератора. Наші заводи виготовляють парові турбіни потужністю 200, 300, 500 і 800 МВт.

ККД паротурбінних електростанцій досягає 40 %. Більша частина енергії палива втрачається разом з гаря­чою відпрацьованою парою. Важливим напрямом підви-

щення економічності теплових електростанцій є тепло­фікація — використання значної частини кількості теплоти відпрацьованої пари для потреб заводів, фабрик, для опалення і гарячого водозабезпечення житлових будинків тощо. В результаті ККД ТЕЦ підвищується до 60—80 %. Тому в нашій країні споруджуються, як правило, ТЕЦ, що сприяють економії палива.

На вітчизняних теплових електростанціях все ширше застосовуються газові турбіни. В камері згоряння такої турбіни згоряє рідке або газоподібне паливо, яке подається разом з необхідною кількістю повітря. Продукти згоряння у вигляді газу, який має високу температуру й тиск, спря­мовуються на робочі лопатки газової турбіни і приводять в обертання ротор електричного генератора. ККД газо­турбінних станцій не нижчий, ніж паротурбінних, але вартість їх спорудження значно нижча, особливо при наявності висококалорійного горючого газу.

На гідроелектростанціях (ГЕС) відбувається перетво­рення потенціальної енергії піднятої греблею води в елек­тричну енергію. Ротори електрогенераторів приводяться в обертання гідравлічними турбінами. Потужність ГЕС залежить від створюваної греблею різниці рівнів води (напору) і від маси води, яка проходить через турбіни станції за секунду (витрата води).

В останні роки все більшу роль в електроенергетиці відіграють атомні електростанції (АЕС). Принцип їх роботи грунтується на використанні внутрішньої енергії, яка виді­ляється в ядерних реакторах внаслідок регульованої лан­цюгової реакції поділу ядер урану або плутонію. Більш де­тально з будовою і роботою АЕС ви ознайомитесь пізніше.

В сучасній промисловості широко застосовується змін­ний струм частотою 50 Гц. Змінний струм має ту перевагу перед постійним, що напругу й силу цього струму можна в дуже широких межах перетворювати (трансформувати) майже без втрат енергії. Такі перетворення необхідні в ба­гатьох електро- і радіотехнічних пристроях. Однак особ­ливо велика необхідність в трансформації напруги й сили струму виникає, коли електроенергія передається на вели­кі відстані.

Електричні машини, які перетворюють енергію того чи іншого виду в електричну, називають генераторами. До генераторів відносять гальванічні елементи, електро­статичні машини, термобатареї, фотоелементи (сонячні батареї) тощо. Генератором є і велетенський електро­генератор Дніпровської ГЕС і батарейка кишенькового

ліхтарика: обидва вони виробляють електричну енергію і, таким чином, є електрогенераторами. Останнім часом широким фронтом ведуться дослідження процесів прямого (безпосереднього) перетворення внутрішньої енергії в енер­гію електричного струму в магнітогідродинамічних генера­торах (МГД-генераторах), в термоелектричних і термо­іонних генераторах (ТЕГ і ТІГ), а також безпосереднього перетворення енергії хімічних процесів окислення в елек­троенергію за допомогою так званих паливних елемен­тів (ПЕ).

Галузь застосування кожного з перерахованих видів генераторів електроенергії визначається їх характеристи­ками. Так, електростатичні машини створюють високу різницю потенціалів, але не здатні створити в колі більш-менш значну силу струму. Гальванічні елементи можуть дати великий струм, однак тривалість їх дії незначна.

Основу сучасної електроенергетики становлять потужні електромеханічні індукщіаі генератори змінного струму. В цих генераторах механічна енергія перетворюється в електричну. їх дія грунтується на явищі електромагніт­ної індукції. Такі генератори мають порівняно просту будо­ву і дають можливість одержувати великі струми при досить високій напрузі. За допомогою простого пристрою генератор змінного струму можна зробити джерелом постійного струму.

Далі, говорячи про генератори, ми матимемо на увазі саме індукційні електромеханічні генератори.