Электростанция , также называемая электростанцией и иногда генерирующей станцией или генераторным заводом , является промышленным объектом для производства электроэнергии . Электростанции , как правило , подключены к электрической сети .
Многие электростанции содержат один или несколько генераторов , вращающихся машин, которые преобразуют механическую энергию в трехфазную электрическую энергию . Относительное движение между магнитным полем и проводником создает электрический ток .
Источник энергии, используемый для вращения генератора, может быть самым разным. Большинство электростанций в мире сжигают ископаемое топливо, такое как уголь , нефть и природный газ , для выработки электроэнергии. Источники энергии с низким содержанием углерода включают ядерную энергию и использование возобновляемых источников энергии, таких как солнечная , ветровая , геотермальная и гидроэлектрическая .
В начале 1871 года бельгийский изобретатель Зеноб Грамм изобрел генератор, достаточно мощный для производства электроэнергии в коммерческих масштабах для промышленности. [1]
В 1878 году Уильям, лорд Армстронг, спроектировал и построил гидроэлектростанцию в Крэгсайде , Англия . Она использовала воду из озер в его поместье для питания динамо-машин Siemens . Электричество обеспечивало питание освещения, отопления, нагревало воду, работало на лифте, а также на устройствах, экономящих труд, и на сельскохозяйственных постройках. [2]
В январе 1882 года в Лондоне была построена первая в мире общественная угольная электростанция , Edison Electric Light Station , проект Томаса Эдисона , организованный Эдвардом Джонсоном . Котел Babcock & Wilcox приводил в действие паровой двигатель мощностью 93 кВт (125 лошадиных сил), который приводил в действие 27-тонный (27-тонный) генератор. Это обеспечивало электроэнергией помещения в этом районе, куда можно было добраться через водопропускные трубы виадука, не выкапывая дорогу, что было монополией газовых компаний. Среди клиентов были City Temple и Old Bailey . Другим важным клиентом был телеграф Главного почтамта , но до него нельзя было добраться через водопропускные трубы. Джонсон организовал прокладку кабеля питания над головой, через Holborn Tavern и Newgate . [3]
В сентябре 1882 года в Нью-Йорке Эдисоном была основана станция Pearl Street для обеспечения электроосвещения в районе острова Нижний Манхэттен. Станция работала до тех пор, пока не была уничтожена пожаром в 1890 году. На станции использовались поршневые паровые двигатели для вращения генераторов постоянного тока. Из-за распределения постоянного тока зона обслуживания была небольшой, ограниченной падением напряжения в фидерах. В 1886 году Джордж Вестингауз начал строить систему переменного тока, которая использовала трансформатор для повышения напряжения для передачи на большие расстояния, а затем понижала его для внутреннего освещения, более эффективную и менее дорогую систему, которая похожа на современные системы. Война токов в конечном итоге разрешилась в пользу распределения и использования переменного тока, хотя некоторые системы постоянного тока сохранялись до конца 20-го века. Системы постоянного тока с радиусом обслуживания в милю (километр) или около того были обязательно меньше, менее эффективны с точки зрения потребления топлива и более трудоемки в эксплуатации, чем гораздо более крупные центральные станции по производству переменного тока.
Системы переменного тока использовали широкий диапазон частот в зависимости от типа нагрузки; осветительная нагрузка использовала более высокие частоты, а тяговые системы и системы с большой нагрузкой двигателя предпочитали более низкие частоты. Экономика генерации центральной станции значительно улучшилась, когда были разработаны унифицированные системы освещения и питания, работающие на общей частоте. Та же самая генерирующая установка, которая питала большие промышленные нагрузки в течение дня, могла питать пригородные железнодорожные системы в час пик, а затем обслуживать осветительную нагрузку вечером, тем самым улучшая коэффициент загрузки системы и снижая стоимость электроэнергии в целом. Существовало много исключений, генерирующие станции были предназначены для питания или освещения по выбору частоты, а вращающиеся преобразователи частоты и вращающиеся преобразователи были особенно распространены для питания электрических железнодорожных систем от общей сети освещения и питания.
В течение первых нескольких десятилетий 20-го века центральные станции становились больше, используя более высокое давление пара для обеспечения большей эффективности и полагаясь на взаимосвязи нескольких генерирующих станций для повышения надежности и стоимости. Высоковольтная передача переменного тока позволила удобно перемещать гидроэлектроэнергию с отдаленных водопадов на городские рынки. Появление паровой турбины на центральных станциях около 1906 года позволило значительно расширить генерирующие мощности. Генераторы больше не были ограничены передачей мощности ремнями или относительно медленной скоростью поршневых двигателей и могли вырастать до огромных размеров. Например, Себастьян Зиани де Ферранти планировал то, что поршневой паровой двигатель когда-либо строил для предлагаемой новой центральной станции, но отказался от планов, когда турбины стали доступны в необходимом размере. Создание энергетических систем из центральных станций требовало сочетания инженерного мастерства и финансовой хватки в равной степени. Пионеры генерации на центральных станциях включают Джорджа Вестингауза и Сэмюэла Инсулла в Соединенных Штатах, Ферранти и Чарльза Хестермана Мерца в Великобритании и многих других [4] . [ необходима ссылка ]
Мировая выработка электроэнергии по источникам в 2021 году . Общая выработка составила 28 петаватт-часов . [5]
На тепловых электростанциях механическая энергия вырабатывается тепловым двигателем , который преобразует тепловую энергию , часто от сгорания топлива , в энергию вращения. Большинство тепловых электростанций вырабатывают пар, поэтому их иногда называют паровыми электростанциями. Не вся тепловая энергия может быть преобразована в механическую энергию, согласно второму закону термодинамики ; поэтому всегда есть потери тепла в окружающую среду. Если эти потери используются в качестве полезного тепла для промышленных процессов или централизованного теплоснабжения , электростанция называется когенерационной электростанцией или ТЭЦ (комбинированной теплоэлектростанцией). В странах, где распространено централизованное теплоснабжение, существуют специальные тепловые станции, называемые котельными . Важный класс электростанций на Ближнем Востоке использует побочное тепло для опреснения воды.
Эффективность теплового энергетического цикла ограничена максимальной температурой рабочей жидкости. Эффективность не является прямой функцией используемого топлива. При одинаковых условиях пара угольные, атомные и газовые электростанции имеют одинаковую теоретическую эффективность. В целом, если система работает постоянно (базовая нагрузка), она будет более эффективна, чем та, которая используется периодически (пиковая нагрузка). Паровые турбины обычно работают с более высокой эффективностью при работе на полной мощности.
Помимо использования отходящего тепла для технологического или централизованного теплоснабжения, одним из способов повышения общей эффективности электростанции является объединение двух различных термодинамических циклов в комбинированной установке. Чаще всего выхлопные газы газовой турбины используются для генерации пара для котла и паровой турбины. Сочетание «верхнего» цикла и «нижнего» цикла обеспечивает более высокую общую эффективность, чем любой из циклов может достичь по отдельности.
В 2018 году «Интер РАО ЕЭС» и «Госсети» Архивировано 21 декабря 2021 года в Wayback Machine планировали построить тепловую электростанцию мощностью 8 ГВт, [6] что станет крупнейшим проектом по строительству угольной электростанции в России . [7]
Первичный двигатель — это машина, преобразующая энергию различных форм в энергию движения.
Электростанции, которые могут быть задействованы (запланированы) для снабжения системы энергией, включают:
Недиспетчерские установки включают такие источники, как энергия ветра и солнца; в то время как их долгосрочный вклад в энергоснабжение системы предсказуем, на краткосрочной (ежедневной или почасовой) основе их энергия должна использоваться по мере доступности, поскольку генерация не может быть отложена. Договорные соглашения («бери или плати») с независимыми производителями электроэнергии или системные соединения с другими сетями могут быть фактически недиспетчерскими. [ необходима цитата ]
Все тепловые электростанции вырабатывают отработанное тепло как побочный продукт полезной произведенной электроэнергии. Количество отработанного тепла равно или превышает количество энергии, преобразованной в полезное электричество [ необходимо разъяснение ] . Газовые электростанции могут достигать эффективности преобразования до 65%, в то время как угольные и нефтяные электростанции достигают около 30–49%. Отработанное тепло вызывает повышение температуры в атмосфере, что незначительно по сравнению с тем, что происходит из-за выбросов парниковых газов той же электростанции. Мокрые градирни с естественной тягой на многих атомных электростанциях и крупных электростанциях, работающих на ископаемом топливе, используют большие гиперболоидные дымоходные конструкции (как показано на изображении справа), которые высвобождают отработанное тепло в окружающую атмосферу путем испарения воды.
Однако механические градирни с принудительной тягой или принудительной тягой на многих крупных тепловых электростанциях, атомных электростанциях, электростанциях на ископаемом топливе, нефтеперерабатывающих заводах , нефтехимических заводах , геотермальных , биомассовых и мусороперерабатывающих заводах используют вентиляторы для обеспечения движения воздуха вверх через нисходящую воду и не являются гиперболоидными трубоподобными конструкциями. Градирни с принудительной тягой или принудительной тягой обычно представляют собой прямоугольные, коробчатые конструкции, заполненные материалом, который улучшает смешивание восходящего воздуха и нисходящей воды. [13] [14]
В районах с ограниченным использованием воды может потребоваться сухая градирня или радиаторы с прямым воздушным охлаждением, поскольку стоимость или экологические последствия получения подпиточной воды для испарительного охлаждения будут непомерно высокими. Эти охладители имеют более низкую эффективность и более высокое потребление энергии для привода вентиляторов по сравнению с типичной мокрой испарительной градирней. [ необходима цитата ]
Электростанции могут использовать конденсатор с воздушным охлаждением, традиционно в районах с ограниченным или дорогим водоснабжением. Конденсаторы с воздушным охлаждением выполняют ту же функцию, что и градирня (рассеивание тепла) без использования воды. Они потребляют дополнительную вспомогательную мощность и, таким образом, могут иметь более высокий углеродный след по сравнению с традиционной градирней. [ необходима цитата ]
Электрокомпании часто предпочитают использовать охлаждающую воду из океана или озера, реки или пруда-охладителя вместо градирни. Эта однопроходная или однократная система охлаждения может сэкономить стоимость градирни и может иметь более низкие затраты на электроэнергию для прокачки охлаждающей воды через теплообменники станции . Однако отходящее тепло может вызвать тепловое загрязнение при сбросе воды. Электростанции, использующие естественные водоемы для охлаждения, спроектированы с такими механизмами, как рыбные сетки , для ограничения попадания организмов в охлаждающее оборудование. Эти сетки эффективны лишь частично, и в результате каждый год электростанции убивают миллиарды рыб и других водных организмов. [15] [16] Например, система охлаждения в Indian Point Energy Center в Нью-Йорке ежегодно убивает более миллиарда икринок и личинок рыб. [17] Еще одним воздействием на окружающую среду является то, что водные организмы, которые адаптируются к более теплой сбросной воде, могут быть травмированы, если станция отключается в холодную погоду [ необходима ссылка ] .
Потребление воды электростанциями является растущей проблемой. [18]
В последние годы переработанные сточные воды, или серая вода , использовались в градирнях. Среди этих объектов — электростанции Calpine Riverside и Calpine Fox в Висконсине, а также электростанция Calpine Mankato в Миннесоте . [ необходима цитата ]
Электростанции могут вырабатывать электроэнергию из возобновляемых источников энергии.
На гидроэлектростанции вода течет через турбины, использующие гидроэнергию для выработки гидроэлектроэнергии . Энергия извлекается из гравитационной силы воды, падающей через напорные водоводы в водяные турбины, соединенные с генераторами . Количество доступной энергии представляет собой комбинацию высоты и расхода воды. Для повышения уровня воды и создания озера для хранения воды может быть построен широкий спектр плотин . Гидроэлектроэнергия производится в 150 странах, при этом Азиатско-Тихоокеанский регион вырабатывал 32 процента мировой гидроэлектроэнергии в 2010 году. Китай является крупнейшим производителем гидроэлектроэнергии, выработав 721 тераватт-час в 2010 году, что составляет около 17 процентов внутреннего потребления электроэнергии. [ необходима цитата ]
Солнечную энергию можно преобразовать в электричество либо непосредственно в солнечных батареях , либо на концентрирующей солнечной электростанции , фокусируя свет для работы теплового двигателя. [19]
Солнечная фотоэлектрическая электростанция преобразует солнечный свет в постоянный ток, используя фотоэлектрический эффект . Инверторы преобразуют постоянный ток в переменный ток для подключения к электросети. Этот тип электростанции не использует вращающиеся машины для преобразования энергии. [20]
Солнечные тепловые электростанции используют либо параболические желоба, либо гелиостаты для направления солнечного света на трубу, содержащую теплопередающую жидкость, например, масло. Затем нагретое масло используется для кипячения воды в пар, который вращает турбину, приводящую в действие электрогенератор. Центральная башня солнечной тепловой электростанции использует сотни или тысячи зеркал, в зависимости от размера, для направления солнечного света на приемник на вершине башни. Тепло используется для производства пара, вращающего турбины, приводящие в действие электрогенераторы. [ необходима цитата ]
Ветровые турбины могут использоваться для выработки электроэнергии в районах с сильными, устойчивыми ветрами, иногда в открытом море . В прошлом использовалось множество различных конструкций, но почти все современные турбины, производимые сегодня, используют трехлопастную конструкцию, направленную против ветра. [21] Подключенные к сети ветровые турбины, которые сейчас строятся, намного больше, чем агрегаты, установленные в 1970-х годах. Таким образом, они производят электроэнергию дешевле и надежнее, чем более ранние модели. [22] У более крупных турбин (порядка одного мегаватта) лопасти движутся медленнее, чем у старых, меньших агрегатов, что делает их менее визуально отвлекающими и более безопасными для птиц. [23]
Морская энергия или морская сила (иногда также называемая энергией океана или силой океана ) относится к энергии, переносимой океанскими волнами , приливами , соленостью и разницей температур океана . Движение воды в мировых океанах создает огромный запас кинетической энергии или энергии в движении. Эту энергию можно использовать для выработки электроэнергии для питания домов, транспорта и промышленности.
Термин «морская энергия» охватывает как энергию волн — энергию поверхностных волн, так и приливную энергию — получаемую из кинетической энергии больших объемов движущейся воды. Морская ветроэнергетика не является формой морской энергии, поскольку энергия ветра получается из ветра , даже если ветряные турбины размещены над водой.
Океаны обладают огромным количеством энергии и находятся близко ко многим , если не к самым концентрированным популяциям. Энергия океана имеет потенциал для обеспечения значительного количества новой возобновляемой энергии по всему миру. [24]
Энергия градиента солености называется осмосом с задержкой давления. В этом методе морская вода закачивается в камеру давления, которая находится под давлением ниже разницы между давлениями соленой и пресной воды. Пресная вода также закачивается в камеру давления через мембрану, что увеличивает как объем, так и давление камеры. Поскольку разница давлений компенсируется, турбина вращается, создавая энергию. Этот метод специально изучается норвежской коммунальной службой Statkraft, которая подсчитала, что до 25 ТВт·ч/год будет доступно в Норвегии с помощью этого процесса. Statkraft построила первый в мире прототип осмотической электростанции на фьорде Осло, который был открыт 24 ноября 2009 года. Однако в январе 2014 года Statkraft объявила о прекращении этого пилотного проекта. [25]
Энергия биомассы может быть получена путем сжигания отходов зеленого материала для нагрева воды в пар и приведения в действие паровой турбины. Биоэнергия также может быть обработана посредством ряда температур и давлений в реакциях газификации , пиролиза или торрефикации . В зависимости от желаемого конечного продукта эти реакции создают более энергоемкие продукты ( синтез-газ , древесные гранулы , биоуголь ), которые затем могут быть загружены в сопутствующий двигатель для производства электроэнергии с гораздо более низкой интенсивностью выбросов по сравнению с открытым сжиганием. [ требуется ссылка ]
Энергию можно хранить и производить электроэнергию позднее, например, в гидроаккумулирующих электростанциях , тепловых электростанциях , маховиковых электростанциях , аккумуляторных электростанциях и т. д.
Самая большая в мире форма хранения избыточной электроэнергии, гидроаккумулирующая электростанция — это обратимая гидроэлектростанция. Они являются чистым потребителем энергии, но обеспечивают хранение для любого источника электроэнергии, эффективно сглаживая пики и спады в поставках и спросе на электроэнергию. Гидроаккумулирующие электростанции обычно используют «запасную» электроэнергию в периоды пониженной нагрузки для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний. Поскольку перекачка происходит «вне пика», электроэнергия менее ценна, чем в часы пик. Эта менее ценная «запасная» электроэнергия поступает от неконтролируемых ветровых электростанций и электростанций базовой нагрузки , таких как угольные, атомные и геотермальные, которые по-прежнему вырабатывают электроэнергию ночью, несмотря на то, что спрос очень низок. Во время дневного пикового спроса, когда цены на электроэнергию высоки, хранилище используется для пиковой мощности , когда вода из верхнего резервуара может течь обратно в нижний резервуар через турбину и генератор. В отличие от угольных электростанций, запуск которых из холодного состояния может занять более 12 часов, гидроэлектрогенератор можно ввести в эксплуатацию за несколько минут, что идеально подходит для удовлетворения пикового спроса. Две крупные схемы гидроаккумулирования находятся в Южной Африке: схема гидроаккумулирования Пальмиет и еще одна в Драконовых горах, схема гидроаккумулирования Ингула .
Мощность, вырабатываемая электростанцией, измеряется в кратных ваттах , обычно мегаваттах (10 6 ватт) или гигаваттах (10 9 ватт). Электростанции сильно различаются по мощности в зависимости от типа электростанции и исторических, географических и экономических факторов. Следующие примеры дают представление о масштабе.
Многие из крупнейших действующих наземных ветровых электростанций расположены в Китае. По состоянию на 2022 год ветряная электростанция Roscoe является крупнейшей в мире наземной ветровой электростанцией, вырабатывающей 8000 МВт электроэнергии, за ней следует Zhang Jiakou (3000 МВт). По состоянию на январь 2022 года ветряная электростанция Hornsea в Великобритании является крупнейшей в мире офшорной ветровой электростанцией с мощностью 1218 МВт, за ней следует ветряная электростанция Walney в Великобритании с мощностью 1026 МВт.
В 2021 году установленная мощность электростанций в мире увеличилась на 347 ГВт. Мощность солнечных и ветровых электростанций выросла на 80% за один год. [26] По состоянию на 2022 год [обновлять]крупнейшими фотоэлектрическими (PV) электростанциями в мире являются Bhadla Solar Park в Индии, мощность которых составляет 2245 МВт.
Солнечные тепловые электростанции в США имеют следующую мощность:
Крупные угольные, атомные и гидроэлектростанции могут вырабатывать от сотен мегаватт до нескольких гигаватт. Некоторые примеры:
Газотурбинные электростанции могут вырабатывать десятки и сотни мегаватт. Некоторые примеры:
Номинальная мощность электростанции — это почти максимальная электрическая мощность, которую может вырабатывать электростанция. Некоторые электростанции работают практически на своей номинальной мощности все время, как электростанция с базовой нагрузкой , не отслеживающая нагрузку , за исключением периодов планового или внепланового обслуживания.
Однако многие электростанции обычно вырабатывают гораздо меньше электроэнергии, чем их номинальная мощность.
В некоторых случаях электростанция вырабатывает гораздо меньше мощности, чем ее номинальная мощность, поскольку она использует непостоянный источник энергии . Операторы пытаются вытянуть максимум доступной мощности из таких электростанций, поскольку их предельная стоимость практически равна нулю, но доступная мощность сильно варьируется — в частности, она может быть нулевой во время сильных штормов ночью.
В некоторых случаях операторы намеренно производят меньше энергии по экономическим причинам. Стоимость топлива для работы электростанции, следующей за нагрузкой, может быть относительно высокой, а стоимость топлива для работы пиковой электростанции еще выше — у них относительно высокие предельные издержки. Операторы держат электростанции выключенными («эксплуатационный резерв») или работающими на минимальном потреблении топлива [ требуется ссылка ] («вращающийся резерв») большую часть времени. Операторы подают больше топлива на электростанции, следующие за нагрузкой, только когда спрос превышает то, что могут производить менее затратные станции (т. е. станции с прерывистой и базовой нагрузкой), а затем подают больше топлива на пиковые электростанции только когда спрос растет быстрее, чем могут следовать за ними электростанции, следующие за нагрузкой.
Не вся вырабатываемая электроэнергия завода обязательно поставляется в распределительную систему. Электростанции обычно также используют часть электроэнергии сами, в этом случае выработка подразделяется на валовую генерацию и чистую генерацию .
Валовая генерация или валовая электрическая мощность — это общее количество электроэнергии , вырабатываемой электростанцией за определенный период времени. [28] Она измеряется на генерирующем терминале и измеряется в киловатт-часах (кВт·ч), мегаватт-часах (МВт·ч), [29] гигаватт-часах (ГВт·ч) или для крупнейших электростанций в тераватт-часах (ТВт·ч). Она включает электроэнергию, используемую во вспомогательных устройствах станции и в трансформаторах. [30]
Чистая генерация — это количество электроэнергии , вырабатываемой электростанцией, которая передается и распределяется для использования потребителями. Чистая генерация меньше общей валовой генерации электроэнергии, поскольку часть вырабатываемой энергии потребляется на самой станции для питания вспомогательного оборудования, такого как насосы , двигатели и устройства контроля загрязнения. [31] Таким образом
У эксплуатационного персонала на электростанции есть несколько обязанностей. Операторы отвечают за безопасность рабочих бригад, которые часто выполняют ремонт механического и электрического оборудования. Они обслуживают оборудование, проводя периодические проверки и регистрируя температуру, давление и другую важную информацию через регулярные промежутки времени. Операторы отвечают за запуск и остановку генераторов в зависимости от необходимости. Они могут синхронизировать и регулировать выходное напряжение дополнительной генерации с работающей электрической системой, не нарушая ее работу. Они должны знать электрические и механические системы, чтобы устранять неполадки на объекте и повышать надежность объекта. Операторы должны уметь реагировать на аварийную ситуацию и знать процедуры, необходимые для ее устранения.
