Глава 1. Получение электроэнергии
Почему сегодня вопрос о способах получения электроэнергии стоит так остро?
Как работает теплоэлектростанция?
Каков коэффициент полезного действия (КПД) теплоэлектростанции?
Нельзя ли увеличить КПД электростанций так, чтобы решить все проблемы энергетики и не искать новые виды топлива?
Немного истории. Почему электрическая?
Чем более развитым становится человеческое общество, тем все больше его потребность в энергии. В очень далекие от нас времена человек начал применять топливо в основном растительного происхождения (дрова, камыш и т.д.) для отопления, приготовления пищи, ремесленных целей. Затем стала использоваться механическая энергия водяных и ветряных двигателей. Изобретение паровой машины впервые позволило преобразовать тепло в механическую энергию, и это преобразило промышленное производство и транспорт. К концу 19-го века мощность всех паровых машин в мире достигла 88,2 млн. кВт.
Потребность в двигателях высокой мощности привела к созданию и использованию в 20-ом веке паровых турбин. И, наконец, в середине 20-го века начинается широкое применение электричества потому что оно является единственным энергоносителем, который может быть произведен из самого различного топлива и легко доставлен потребителям по линиям электропередач. Только с помощью электроэнергии можно заставить работать огромное число машин и механизмов, освещать и обогревать предприятия и дома.
В наши дни спрос на электроэнергию в индустриальном обществе определяется многообразием его потребителей: промышленностью, транспортом, торговлей, коммунальным хозяйством. Роль электроэнергии в нашей жизни постоянно увеличивается потому, что ее легко производить и легко доставлять потребителям по линиям электропередач. В настоящее время производство электроэнергии составляет 40% от производства всей энергии в мире.
Ключевым фактором в любой энергетической системе является соответствие реальной потребности количеству непрерывно производимой электроэнергии. Каждый потребитель должен бесперебойно получать ее столько, сколько нужно. Говоря о потребности в электроэнергии, специалисты обычно различают два вида потребности: пиковую и базисную (рис.1). Базисные нагрузки обычно компенсируются крупными электростанциями в нормальном режиме их работы. Пиковая возникает как добавка к базисной потребности в период наибольшей нагрузки и длится обычно недолго.
В дальнейшем термин «потребность в электроэнергии» мы будем понимать именно в смысле базисной потребности .
Тепловая электростанция (ТЭС)
Сегодня наиболее распространенным источником электроэнергии являются тепловые электростанции (ТЭС). В основе их работы находится такая схема превращения энергии:
Тепло механическая энергия электрическая энергия
Упрощенная схема реализации этой последовательности в теплоэлектростанции изображена на рисунке 2.
Топливо и окислитель, (обычно – подогретый воздух), непрерывно поступают в топку парового котла. За счет тепла, образующегося при сжигании топлива, вода в паровом котле превращается в пар с высоким давлением и температурой около 550оС. Этот пар поступает в паровую турбину, назначение которой – превратить его тепловую энергию в механическую энергию вращения ротора турбогенератора. Пар, отдавая энергию турбине, остывает и, имея уже низкое давление, поступает в конденсатор. Здесь с помощью охлаждающей воды, прокачиваемой по расположен-ным внутри конденсатора трубкам, он превращается в воду, которая специальным насосом снова подается в котел. Последовательность превращения энергии повторяется снова.
Важно отметить, что количество охлаждающей воды должно в десятки раз превышать количество конденсируемого пара. Простой расчет показывает, что для полного превращения 1 кг водяного пара в воду необходимо около 60 кг охлаждающей воды, которая при этом нагреется примерно на 10 градусов. Поэтому ТЭС строят поблизости от крупных водных источников.
Эффективность работы ТЭС определяется коэффициентом полезного действия (КПД).
КПД теплоэлектростанций в настоящее время обычно составляет 40%. Это значит, что 40% тепла, полученного при сжигании топлива, превращается в электрическую энергию, а 60% теряются безвозвратно.