Сжигание угля обеспечивает 38% мирового объема энергии. На ТЭС твердое топливо измельчают до пыли, затем сжигают в котле при 1400°C. Выделяющееся тепло превращает воду в пар, который раскручивает турбину со скоростью 3000 об/мин. КПД таких установок редко превышает 45% из-за тепловых потерь.
Гидроэлектростанции используют перепад высот: каждую секунду через турбины Саяно-Шушенской ГЭС проходит 7000 м³ воды. Лопасти генераторов выдерживают давление в 60 атмосфер, преобразуя механическую энергию в ток с эффективностью до 90%. Мощность отдельных агрегатов достигает 640 МВт – этого хватит для снабжения 600 000 домов.
Атомные реакторы работают на уране-235 с обогащением до 5%. Один грамм этого изотопа выделяет 24 МВт·ч при делении – эквивалент 2.5 тонн угля. Парогенераторы АЭС требуют 200 бар давления, а биологическая защита содержит 1500 тонн бетона и свинцовых плит. Современные реакторы третьего поколения снижают риск аварий в 160 раз по сравнению с чернобыльскими моделями.
Содержание материала
Генерация энергии: методы и принципы
Тепловые электростанции
Угольные, газовые и мазутные ТЭС преобразуют тепло в ток. КПД современных установок достигает 45-50%. Парогенераторы разогревают воду до 600°C, турбины вращаются со скоростью 3000 об/мин. Для снижения выбросов применяют электрофильтры (эффективность 99%) и системы десульфуризации.
Атомные реакторы
1 кг урана-235 заменяет 3000 тонн угля. В ВВЭР-1200 давление в первом контуре – 160 атмосфер, температура – 320°C. Защитная оболочка выдерживает падение самолета. Перегрузка топлива происходит раз в 18 месяцев.
Гидроэлектростанции используют перепад высот: каждые 10 метров напора дают 1 кВт мощности с 1 м³/с воды. Турбины Пелтона работают при 500-1000 об/мин, КПД – 90%. Плотины ГЭС строят из 6 млн м³ бетона.
Ветрогенераторы начинают работать при 3-4 м/с. Лопасти длиной 80 м обеспечивают 8 МВт. Подшипники выдерживают 20 лет эксплуатации. Солнечные панели из монокристаллического кремния преобразуют 22% света в ток.
Виды топлива для генерации энергии
Ископаемые ресурсы – основа традиционной энергетики. Уголь обеспечивает 38% мирового объёма, газ – 23%, нефть – менее 3%. КПД современных угольных ТЭС достигает 45%, газовых – 60%.
Атомное сырьё даёт 10% энергии. Уран-235 и плутоний-239 применяют в реакторах. 1 кг урана заменяет 3 000 тонн угля. Реакторы ВВЭР-1200 вырабатывают 1 200 МВт с КПД 34%.
Биотопливо – альтернатива нефтепродуктам. Древесные пеллеты, биогаз и этанол из кукурузы покрывают 5% потребностей. Теплотворность пеллет – 17 МДж/кг против 42 МДж/кг у мазута.
Водород тестируют на ТЭС. При сжигании выделяет 120 МДж/кг, но требует спецгорелок. Пилотные проекты в Германии и Японии показывают КПД 35-40%.
Синтетическое топливо из угля (метод Фишера-Тропша) используют в ЮАР. Себестоимость – $60 за баррель против $40 у нефти.
Принцип действия генераторов на электростанциях
Генераторы преобразуют механическую энергию вращения в энергию тока. В основе лежит закон электромагнитной индукции Фарадея: при движении проводника в магнитном поле возникает разность потенциалов. На крупных объектах применяют синхронные трёхфазные агрегаты с КПД 97-99%.
Конструкция и ключевые компоненты
Турбина передаёт вращение ротору генератора со скоростью 1500-3000 об/мин. Статор содержит медные обмотки, ротор – электромагниты с возбуждением от системы постоянного тока. Охлаждение водородное (для мощностей свыше 200 МВт) или воздушное.
Режимы работы и управление
Автоматические регуляторы поддерживают частоту 50 Гц (±0,2 Гц) и напряжение 6-24 кВ. При перегрузках срабатывают релейные защиты, отключая агрегат за 0,02-0,1 с. Современные системы диагностики анализируют вибрацию, температуру обмоток и изоляции в реальном времени.
Для синхронизации с сетью выравнивают частоту, напряжение и фазовый угол. Погрешность не должна превышать ±10° при подключении.
