Электростанция , также называемая электростанцией , а иногда и электростанцией или электростанцией , представляет собой промышленный объект для производства электроэнергии . Электростанции обычно подключены к электрической сети .
Многие электростанции содержат один или несколько генераторов , вращающихся машин, преобразующих механическую энергию в трехфазную электрическую энергию . Относительное движение между магнитным полем и проводником создает электрический ток .
Источник энергии, используемый для вращения генератора, широко варьируется. Большинство электростанций в мире сжигают ископаемое топливо, такое как уголь , нефть и природный газ, для производства электроэнергии. Низкоуглеродные источники энергии включают ядерную энергетику и использование возобновляемых источников энергии , таких как солнечная , ветровая , геотермальная и гидроэлектрическая энергия .
В начале 1871 года бельгийский изобретатель Зеноб Грамм изобрел генератор, достаточно мощный, чтобы производить электроэнергию в промышленных масштабах. [1]
В 1878 году Уильям, лорд Армстронг, спроектировал и построил гидроэлектростанцию в Крэгсайде , Англия . Он использовал воду из озер в его поместье для питания динамо-машин Siemens . Электричество обеспечивало освещение, отопление, производство горячей воды, работу лифта, а также трудосберегающих устройств и хозяйственных построек. [2]
В январе 1882 года в Лондоне по проекту Томаса Эдисона , организованному Эдвардом Джонсоном , была построена первая в мире общественная угольная электростанция , Электростанция Эдисона . Котел Babcock & Wilcox приводил в действие паровой двигатель мощностью 93 кВт (125 лошадиных сил), который приводил в движение генератор массой 27 тонн (27 длинных тонн). Это обеспечивало электричеством помещения в этом районе, до которых можно было добраться через водопропускные трубы виадука, не перекапывая дорогу, что было монополией газовых компаний. Среди клиентов были Городской Храм и Олд-Бейли . Еще одним важным клиентом был телеграф Главпочтамта , но до него нельзя было добраться через водопропускные трубы. Джонсон организовал прокладку питающего кабеля через Холборн Таверну и Ньюгейт . [3]
В сентябре 1882 года Эдисон основал в Нью-Йорке станцию Перл-стрит для обеспечения электрического освещения в нижней части острова Манхэттен. Станция работала до тех пор, пока не была разрушена пожаром в 1890 году. На станции использовались паровые двигатели возвратно -поступательного движения для включения генераторов постоянного тока. Из-за распределения постоянного тока зона обслуживания была небольшой и ограничивалась падением напряжения в фидерах. В 1886 году Джордж Вестингауз начал строить систему переменного тока, в которой трансформатор повышал напряжение для передачи на большие расстояния, а затем понижал его для внутреннего освещения. Это более эффективная и менее дорогая система, похожая 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 века. Системы постоянного тока с радиусом обслуживания около мили (километра) обязательно были меньше, менее эффективны в расходе топлива и более трудоемки в эксплуатации, чем гораздо более крупные центральные электростанции переменного тока.
В системах переменного тока использовался широкий диапазон частот в зависимости от типа нагрузки; осветительная нагрузка с использованием более высоких частот, а тяговые системы и системы с тяжелыми двигателями предпочитают более низкие частоты. Экономика генерации центральных станций значительно улучшилась, когда были разработаны унифицированные системы освещения и электроснабжения, работающие на общей частоте. Та же электростанция, которая питала большие промышленные нагрузки в течение дня, могла бы снабжать системы пригородных железных дорог в час пик, а затем обслуживать осветительную нагрузку вечером, тем самым улучшая коэффициент загрузки системы и снижая стоимость электроэнергии в целом. Существовало множество исключений: электростанции были предназначены для выработки электроэнергии или освещения в зависимости от выбора частоты, а вращающиеся преобразователи частоты и вращающиеся преобразователи были особенно распространены для питания систем электрических железных дорог от общей сети освещения и электроснабжения.
В течение первых нескольких десятилетий 20-го века центральные станции стали больше, используя более высокое давление пара для обеспечения большей эффективности и полагаясь на соединение нескольких электростанций для повышения надежности и стоимости. Передача переменного тока высокого напряжения позволила удобно переносить гидроэлектроэнергию с отдаленных водопадов на городские рынки. Появление паровой турбины на центральных станциях примерно в 1906 году позволило значительно расширить генерирующие мощности. Генераторы больше не были ограничены ременной передачей мощности или относительно низкой скоростью поршневых двигателей и могли достигать огромных размеров. Например, Себастьян Зиани де Ферранти планировал, что для предлагаемой новой центральной станции будет когда-либо построен паровой двигатель с возвратно-поступательным движением, но отказался от этих планов, когда стали доступны турбины необходимого размера. Строительство энергетических систем на базе центральных станций требовало в равной мере сочетания инженерных навыков и финансовой хватки. Среди пионеров создания центральных станций — Джордж Вестингауз и Сэмюэл Инсалл в США, Ферранти и Чарльз Хестерман Мерц в Великобритании и многие другие [4] . [ нужна цитата ]
Мировое производство электроэнергии по источникам в 2021 году (общая выработка составила 28 петаватт-часов ) [5]
На тепловых электростанциях механическая энергия производится тепловым двигателем , который преобразует тепловую энергию , часто образующуюся в результате сгорания топлива , в энергию вращения. Большинство тепловых электростанций производят пар, поэтому их иногда называют паровыми электростанциями. Согласно второму закону термодинамики , не вся тепловая энергия может быть преобразована в механическую ; следовательно, всегда происходит потеря 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 централизованное теплоснабжение является обычным явлением, существуют специализированные тепловые станции, называемые котельными, работающими только на выработке тепла . Важный класс электростанций на Ближнем Востоке использует побочное тепло для опреснения воды.
Эффективность теплоэнергетического цикла ограничена максимальной производимой температурой рабочей жидкости. КПД не зависит напрямую от используемого топлива. При одних и тех же 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 высоким КПД при работе на полную мощность.
Помимо использования отработанного тепла для технологического или централизованного теплоснабжения, одним из способов повышения общей эффективности электростанции является объединение двух разных термодинамических циклов в установке с комбинированным циклом . Чаще всего выхлопные газы газовой турбины используются для выработки пара для котла и паровой турбины. Комбинация «верхнего» и «нижнего» циклов обеспечивает более высокую общую эффективность, чем любой из циклов может быть достигнут в отдельности.
В 2018 году Интер РАО ЕЭС и Госсети. Архивировано 21 декабря 2021 года на Wayback Machine. В 2018 году планировалось построить ТЭЦ мощностью 8 ГВт [6] , которая является крупнейшим проектом строительства угольной электростанции в России . [7]
Первичный двигатель – это машина, преобразующая энергию различных форм в энергию движения.
Электростанции, которые могут быть отправлены (по расписанию) для обеспечения энергией системы, включают:
К недиспетчерским установкам относятся такие источники, как ветровая и солнечная энергия; хотя их долгосрочный вклад в энергоснабжение системы предсказуем, на краткосрочной (ежедневной или ежечасной) основе их энергия должна использоваться по мере ее наличия, поскольку выработка не может быть отложена. Контрактные соглашения («бери или плати») с независимыми производителями электроэнергии или межсистемные соединения с другими сетями могут фактически не поддаваться диспетчеризации. [ нужна цитата ]
Все тепловые электростанции производят отходную тепловую энергию как побочный продукт производства полезной электрической энергии. Количество отработанной тепловой энергии равно или превышает количество энергии, преобразованной в полезную электроэнергию [ необходимы разъяснения ] . Газовые электростанции могут достичь эффективности преобразования до 65%, тогда как угольные и нефтяные электростанции достигают около 30–49%. Отходящее тепло приводит к повышению температуры в атмосфере, которое незначительно по сравнению с выбросами парниковых газов той же электростанции. Мокрые градирни с естественной тягой на многих атомных электростанциях и крупных электростанциях, работающих на ископаемом топливе, используют большие гиперболоидные конструкции, похожие на дымоходы (как видно на изображении справа), которые выделяют отработанное тепло в окружающую атмосферу за счет испарения воды . .
Тем не менее, механические мокрые градирни с принудительной тягой или принудительной тягой на многих крупных тепловых электростанциях, атомных электростанциях, электростанциях, работающих на ископаемом топливе, нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимических заводах , геотермальных заводах , заводах по переработке биомассы и отходов в энергию используют вентиляторы для обеспечивают движение воздуха вверх через стекающую вниз воду и не являются гиперболоидными дымообразными конструкциями. Градирни с принудительной 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 водопользованием 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 энергопотребление для привода вентиляторов по сравнению с типичной мокрой испарительной градирней. [ нужна цитата ]
Электростанции могут использовать конденсатор с воздушным охлаждением, традиционно в районах с ограниченным или дорогим водоснабжением. Конденсаторы с воздушным охлаждением служат той же цели, что и градирни (отвод тепла), без использования воды. Они потребляют дополнительную вспомогательную энергию и, следовательно, могут иметь более высокий углеродный след по сравнению с традиционными градирнями. [ нужна цитата ]
Электрические компании часто предпочитают использовать охлаждающую воду из океана, озера, реки или пруда-охладителя вместо градирни. Эта однопроходная или прямоточная система охлаждения может сэкономить затраты на градирню и снизить затраты на электроэнергию для прокачки охлаждающей воды через теплообменники установки . Однако отходящее тепло может вызвать тепловое загрязнение при сбросе воды. Электростанции, использующие для охлаждения естественные водоемы, оснащены такими механизмами, как рыбные сетки , чтобы ограничить попадание организмов в охлаждающее оборудование. Эти экраны эффективны лишь частично, и в результате электростанции ежегодно убивают миллиарды рыб и других водных организмов. [15] [16] Например, система охлаждения Энергетического центра Индиан-Пойнт 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 сбрасываемой воде, могут пострадать, если станция отключится в холодную погоду [ нужна ссылка ] .
Потребление воды электростанциями является развивающейся проблемой. [18]
В последние годы в градирнях стали использовать переработанные сточные воды, или бытовые воды . В число этих объектов входят электростанции Calpine Riverside и Calpine Fox в Висконсине , а также электростанция Calpine Mankato в Миннесоте . [ нужна цитата ]
Электростанции могут генерировать электроэнергию из возобновляемых источников энергии.
На гидроэлектростанциях вода течет через турбины, используя гидроэнергию для выработки гидроэлектроэнергии . Энергия улавливается за счет гравитационной силы воды, падающей через водоводы на водяные турбины , соединенные с генераторами . Доступная мощность зависит от высоты и расхода воды. Для поднятия уровня воды и создания озера для хранения воды может быть построено множество плотин . Гидроэлектроэнергия производится в 150 странах, при этом Азиатско-Тихоокеанский регион производил 32 процента мировой гидроэлектроэнергии в 2010 году. Китай является крупнейшим производителем гидроэлектроэнергии: в 2010 году было произведено 721 тераватт-час, что составляет около 17 процентов внутреннего потребления электроэнергии. [ нужна цитата ]
Солнечную энергию можно превратить в электричество либо непосредственно в солнечных элементах , либо в концентрирующей солнечной электростанции , фокусируя свет для запуска теплового двигателя. [19]
Солнечная фотоэлектрическая электростанция преобразует солнечный свет в электричество постоянного тока с помощью фотоэлектрического эффекта . Инверторы преобразуют постоянный ток в переменный для подключения к электрической сети. На установках этого типа не используются вращающиеся машины для преобразования энергии. [20]
Солнечные тепловые электростанции используют либо параболические желоба, либо гелиостаты для направления солнечного света на трубу, содержащую теплоноситель, например масло. Нагретое масло затем используется для превращения воды в пар, который вращает турбину, приводящую в движение электрический генератор. Солнечная тепловая электростанция с центральной башней использует сотни или тысячи зеркал, в зависимости от размера, для направления солнечного света на приемник на вершине башни. Тепло используется для производства пара, который вращает турбины, приводящие в движение электрические генераторы. [ нужна цитата ]
Ветровые турбины можно использовать для выработки электроэнергии в районах с сильными и постоянными ветрами, иногда на море . В прошлом использовалось множество различных конструкций, но почти все современные турбины, выпускаемые сегодня, имеют трехлопастную конструкцию, направленную против ветра. [21] Строящиеся сейчас ветряные турбины, подключенные к сети, намного больше, чем агрегаты, установленные в 1970-х годах. Таким образом, они производят электроэнергию дешевле и надежнее, чем предыдущие модели. [22] У турбин большего размера (порядка одного мегаватта) лопасти движутся медленнее, чем у более старых и меньших турбин, что делает их менее визуально отвлекающими и более безопасными для птиц. [23]
Морская энергия или морская сила (также иногда называемая энергией океана или силой океана ) относится к энергии, переносимой океанскими волнами , приливами , соленостью и разницей температур океана . Движение воды в Мировом океане создает огромный запас кинетической энергии , или энергии движения. Эту энергию можно использовать для выработки электроэнергии для питания домов, транспорта и промышленности.
Термин «морская энергия» включает в себя как энергию волн — мощность поверхностных волн, так и энергию приливов , — получаемую из кинетической энергии больших водоемов в движении. Морская ветроэнергетика не является формой морской энергии, поскольку энергия ветра получается из ветра , даже если ветряные турбины расположены над водой.
Океаны обладают огромным количеством энергии и находятся рядом со многими, если не с наиболее концентрированными, популяциями . Энергия океана потенциально может обеспечить значительное количество новой возобновляемой энергии по всему миру. [24]
Энергия градиента солености называется осмосом с задержкой давления. В этом методе морская вода закачивается в камеру высокого давления, давление которой ниже разницы давлений соленой и пресной воды. Пресная вода также закачивается в камеру высокого давления через мембрану, которая увеличивает как объем, так и давление камеры. Поскольку разница давлений компенсируется, турбина вращается, создавая энергию. Этот метод специально изучается норвежской коммунальной компанией Statkraft, которая подсчитала, что в результате этого процесса в Норвегии можно будет получить до 25 ТВтч/год. Компания Statkraft построила первый в мире прототип осмотической электростанции во фьорде Осло, который был открыт 24 ноября 2009 года. Однако в январе 2014 года компания Statkraft объявила об отказе от продолжения этого пилотного проекта. [25]
Энергию биомассы можно производить путем сжигания зеленых отходов для нагрева воды до пара и привода паровой турбины. Биоэнергию также можно перерабатывать при различных температурах и давлениях 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 можно подавать в сопутствующий двигатель для производства электроэнергии с гораздо более низким уровнем выбросов по сравнению с открытым сжиганием. [ нужна цитата ]
Можно хранить энергию и производить электроэнергию в более позднее время, например, в гидроаккумулирующих электростанциях , накопителях тепловой энергии , накопителях энергии с маховиком , аккумуляторных электростанциях и так далее.
Самая крупная в мире форма хранения избыточной электроэнергии, гидроаккумулирующая система, представляет собой реверсивную гидроэлектростанцию. Они являются чистым потребителем энергии, но обеспечивают хранение любого источника электроэнергии, эффективно сглаживая пики и спады предложения и спроса на электроэнергию. Гидроаккумулирующие станции обычно используют «запасную» электроэнергию в непиковые периоды для перекачки воды из нижнего резервуара в верхний резервуар. Поскольку перекачка происходит «вне пика», электроэнергия менее ценна, чем в часы пик. Эта менее ценная «запасная» электроэнергия поступает от неконтролируемой энергии ветра и электростанций с базовой нагрузкой , таких как угольные, атомные и геотермальные, которые по-прежнему производят электроэнергию в ночное время, хотя спрос на нее 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 пиковой нагрузки. Две крупные схемы гидроаккумулирования находятся в Южной Африке: схема гидроаккумулирования Palmiet и еще одна в Дракенсберге, схема гидроаккумулирования Ингула .
Мощность, вырабатываемая электростанцией, измеряется кратно ваттам , обычно это мегаватты (10 6 Вт) или гигаватты (10 9 Вт). Электростанции сильно различаются по мощности в зависимости от типа электростанции, а также от исторических, географических и экономических факторов. Следующие примеры дают представление о масштабе.
Многие из крупнейших действующих наземных ветряных электростанций расположены в Китае. По состоянию на 2022 год ветряная электростанция Роско является крупнейшей береговой ветряной электростанцией в мире, производящей 8000 МВт электроэнергии, за ней следует Чжан Цзякоу (3000 МВт). По состоянию на январь 2022 года ветряная электростанция Хорнси в Великобритании является крупнейшей морской ветряной электростанцией в мире с мощностью 1218 МВт, за ней следует ветряная электростанция Уолни в Великобритании с мощностью 1026 МВт.
В 2021 году установленная мощность электростанций мира увеличилась на 347 ГВт. Мощность солнечных и ветряных электростанций за год выросла на 80%. [26] По состоянию на 2022 год [обновлять]крупнейшими фотоэлектрическими (PV) электростанциями в мире является солнечный парк Бхадла в Индии мощностью 2245 МВт.
Солнечные тепловые электростанции в США имеют следующую мощность:
Крупные угольные, атомные и гидроэлектростанции могут генерировать от сотен мегаватт до нескольких гигаватт. Некоторые примеры:
Газотурбинные электростанции могут генерировать десятки и сотни мегаватт. Некоторые примеры:
Установленная мощность электростанции — это почти максимальная электрическая мощность, которую может производить электростанция. Некоторые электростанции постоянно работают почти точно на своей номинальной мощности, как электростанции с базовой нагрузкой без отслеживания нагрузки , за исключением периодов планового или внепланового технического обслуживания.
Однако многие электростанции обычно производят гораздо меньше электроэнергии, чем их номинальная мощность.
В некоторых случаях электростанция производит гораздо меньше энергии, чем ее номинальная мощность, поскольку она использует прерывистый источник энергии . Операторы стараются получить от таких электростанций максимально доступную мощность , поскольку их предельные затраты практически равны нулю, но доступная мощность широко варьируется — в частности, она может равняться нулю во время сильных штормов в ночное время.
В некоторых случаях операторы намеренно производят меньше электроэнергии по экономическим причинам. Стоимость топлива для работы нагрузки, следующей за электростанцией, может быть относительно высокой, а стоимость топлива для работы пиковой электростанции еще выше — у них относительно высокие предельные затраты. Большую часть времени операторы держат электростанции выключенными («оперативный резерв») или работающими с минимальным расходом топлива ( « вращающийся резерв»). Операторы подают больше топлива на электростанции, следующие за нагрузкой, только тогда, когда спрос превышает то, что могут производить более дешевые электростанции (т. е. электростанции с периодической и базовой нагрузкой), а затем подают больше топлива на пиковые электростанции только тогда, когда спрос растет быстрее, чем нагрузка. могут последовать следующие электростанции.
Не вся вырабатываемая электростанцией электроэнергия обязательно передается в распределительную систему. Электростанции обычно также используют часть электроэнергии сами, и в этом случае выработка электроэнергии классифицируется на валовую выработку и чистую выработку .
Валовая выработка или валовая выработка электроэнергии — это общий объем электроэнергии , произведенной электростанцией за определенный период времени. [28] Он измеряется на генерирующей терминале и измеряется в киловатт-часах (кВт·ч), мегаватт-часах (МВт·ч), [29] гигаватт-часах (ГВт·ч) или для крупнейших электростанций в тераваттах . -часы (ТВ·ч). Сюда входит электроэнергия, используемая в собственных целях электростанции и в трансформаторах. [30]
Чистая генерация — это количество электроэнергии , вырабатываемой электростанцией, которая передается и распределяется для потребительского использования. Чистая выработка меньше, чем общая валовая выработка электроэнергии, поскольку некоторая произведенная мощность потребляется внутри самой станции для питания вспомогательного оборудования, такого как насосы , двигатели и устройства контроля загрязнения. [31] Таким образом
У обслуживающего персонала электростанции есть несколько обязанностей. Операторы несут ответственность за безопасность рабочих бригад, которые часто выполняют ремонт механического и электрического оборудования. Они обслуживают оборудование путем периодических проверок и регулярно регистрируют температуру, давление и другую важную информацию. Операторы несут ответственность за запуск и остановку генераторов в зависимости от необходимости. Они способны синхронизировать и регулировать выходное напряжение добавленной генерации с работающей электрической системой, не нарушая ее работу. Они должны знать электрические и механические системы, чтобы устранять неисправности на объекте и повышать надежность объекта. Операторы должны быть в состоянии отреагировать на чрезвычайную ситуацию и знать процедуры ее реагирования.
