Реферат по физике на тему «Различные виды электростанций»

ВВЕДЕНИЕ История человечества тесно связана с получением и использованием энергии. С каждым годом увеличивается потребность в электроэнергии. Электрическая станция — совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории. В зависимости от источника энергии различают: тепловые электростанции (ТЭС), использующие природное топливо; гидроэлектростанции (ГЭС), использующие энергию падающей воды запруженных рек; электростанции (АЭС), использующие ядерную энергию; иные электростанции, использующие ветровую, солнечную, геотермальную и другие виды энергий. В нашей стране производится и потребляется огромное количество электроэнергии. Она почти полностью вырабатывается тремя основными типами электростанций: тепловыми, атомными и гидроэлектростанциями. Цель данной работы рассмотреть различные виды электростанций. Для достижения поставленной цели, необходимо решить ряд задач: проанализировать литературу и выделить основные виды электростанций; описать работу, схемы, положительные и отрицательные стороны; рассмотреть альтернативные источники электроэнергии.

1 ВИДЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

1.1 ТЭС – тепловые электростанции

Тепловая электростанция (ТЭС)и является промышленным предприятием, осуществляющим выработку тепловой и электрической энергии для промышленных производств и муниципальных потребителей. Тепловая электростанция вырабатывает электрическую мощность путем преобразования химической энергии топлива через тепловую энергию сгорания в механическую энергию вращения вала электрогенератора по схеме: — ХИМИЧЕСКАЯ – ТЕПЛОВАЯ – МЕХАНИЧЕСКАЯ – ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ [1, 9] Тепловые электростанции вырабатывают до 60% энергии в мире. Первые тепловые электростанции возникли в Европе во второй половине XIX века. Одна из старейших электростанций на переменном токе в России была построена в 1897 году и расположена в Москве на Раушской набережной. Ныне это ГЭС №1 (Государственная электрическая станция) ОАО «МосЭнерго». В 1905 – 1907 годах была построена тепловая электростанция на Болотной набережной, ныне ГЭС №2 ОАО «МосЭнерго», которая до недавних пор являлась действующей. Первая тепловая электростанция – КЭС «Электропередача» (ныне ГРЭС-3), построенная под Москвой в городе Электрогорске в 1912–1914 г.г. под руководством инженера Р.Э. Классона, работала на торфе и имела мощность 15 МВт. Первой тепловой электростанцией в Санкт-Петербурге стала построенная в 1886 году электростанция Зимнего дворца Электродвор, выполненная по проекту инженера В.Л. Пашкова [1, 10]. Тепловые электростанции подразделяются: по назначению и местоположению; по видам используемого топлива;• по характеристикам применяемого технологического оборудования. Тепловые электростанции используют в качестве основного топлива природный газ, мазут, твердое топливо (уголь и торф). Реже для работы используются отходы лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности, биогаз и некоторые другие источники энергии. Разнообразие основного технологического оборудования определило несколько типов тепловых электростанций, к которым относятся: Котлотурбинные электростанции: конденсационные электростанции (КЭС или ГРЭС); теплоэлектроцентрали (теплофикационные электростанции, ТЭЦ); Газотурбинные электростанции; Электростанции на базе установок (комбинированного цикла); Электростанции на основе поршневых двигателей (дизель). Конденсаторные установки (КЭС) обеспечивают электроэнергией только потребителей. Принцип работы ИЭС основан на получении водяного пара высокого давления с температурой 540 °С в парогенераторе от сжигания угольного порошка, газа или мазута. Образующийся пар поступает в турбину, где его потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора турбины и электрогенератора. Отработанный пар поступает в конденсатор, внутри которого находятся латунные трубки, по которым циркулирует охлаждающая вода. Пар течет по трубкам, конденсируется, стекает и удаляется. Полученная вода поступает в деаэратор, где удаляется кислород и добавляется очищенная вода, а из деаэратора вода возвращается в котел. Идет процесс производства электроэнергии [1, 15]. На рисунке 1 изображена принципиальная схема КЭС, на рисунке 2 технологическая схема КЭС. Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) на рисунке 3 решают не только задачи сохранения получаемой ими энергии, но дают возможность дополнительного обеспечения потребителей паром низкого давления, необходимого многим промышленным предприятиям, а также горячей водой. Различают два типа теплоэлектроцентралей: ТЭЦ, оснащенные турбинами с противодавлением и ТЭЦ с регулируемым отбором пара. В теплоцентралях первого типа отработанный пар поступает по теплосетям к потребителям, а также используется в теплообменниках для нагрева воды, применяемой для теплоснабжения. Отработанный пар конденсируется на потребителях тепла и с помощью насосов возвращается в парогенератор. Основным недостатком таких ТЭЦ является необходимость работы по тепловому графику потребителей, то есть, если ТЭЦ должна обеспечивать потребителя значительным количеством электроэнергии при невысокой потребности в паре, то израсходованный пар придется быть сброшенным. В противном случае пар должен быть пропущен через турбину и охлажден до параметров, требуемых потребителем, что подразумевает ненужное потребление энергии. Поэтому мощность турбогенератора используется неравномерно и необходимо дублировать электрическую мощность ТЭЦ конденсационными установками. Схема работы ТЭЦ с регулируемым отбором пара ближе к схеме ИЭС. В этом случае потребителю подается не весь пар. Его регулируемая часть отводится от промежуточных ступеней турбины на нужды подачи тепла и пара, а остальная часть идет в конденсатор. Таким образом, представлены кривые как тепловой, так и электрической нагрузки.Электростанции на основе газотурбинных установок (ГТУ), парогазовых установок (ПГУ) и на основе поршневых двигателей имеют меньшие мощности по сравнению с КЭС и ТЭЦ и чаще используются в качестве источников электроэнергии для обслуживания небольших предприятий и поселков, но есть и примеры ПГУ большой мощности.Газотурбинные установки (ГТУ) предназначены для выработки электроэнергии за счет сжигания топлива, когда вращение турбины электрогенератора генерируется газообразными продуктами сгорания, а не паром. Газовые турбины по конструкции и принципу преобразования энергии существенно не отличаются от паровых. В технологической схеме парогазовых электростанций (ПГУ) используется принцип соединения паровых и газовых турбин. Эта схема используется, когда есть необходимость максимизировать производство электроэнергии.

1.2 ГЭС – гидроэлектростанции

Гидроэлектростанции на рисунке 4 производят самую дешевую электроэнергию, но имеют довольно высокие затраты на строительство. Именно гидроэлектростанции позволили Советскому правительству совершить такой рывок в промышленности в первые десятилетия Советской власти. Современные гидроэлектростанции могут вырабатывать до 7 миллионов киловатт энергии, что вдвое превышает мощность действующих тепловых электростанций и атомных электростанций, но размещение гидроэлектростанций в европейской части России затруднено в этой области из-за высокой стоимость земли и невозможность затопления больших территорий региона. Самые мощные гидроэлектростанции построены в Сибири, где наиболее эффективно освоены водные ресурсы.Важным недостатком ГЭС является сезонность их работы, столь неудобная для промышленности, а так же затопление пахотных земель; строительство ведётся только там, где есть большие запасы энергии воды, горные реки опасны из-за высокой сейсмичности районов. Принцип работы гидроэлектростанции заключается в том, что энергия от давления воды преобразуется в электричество с помощью гидроагрегата. Требуемый напор воды обеспечивается строительством плотины и водохранилища и, как следствие, сосредоточением реки в определенном месте; или естественный поток воды, часто с байпасом. В некоторых случаях для достижения необходимого давления плотина и байпас используются вместе. В гидроагрегате вода подается на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие гидроэлектрический генератор и непосредственно вырабатывает электричество. Все электрооборудование находится в здании ГЭС. В зависимости от цели у него есть собственное определенное подразделение. Электрогенератор находится в машинном отделении. Также есть всевозможное дополнительное оборудование, устройства для управления и контроля работы гидроэлектростанций, трансформаторная подстанция, распределительное устройство и многое другое.Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности: мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше; средние — до 25 МВт; малые гидроэлектростанции — до 5 МВт. От максимального использования напора воды: высоконапорные — более 60 м средненапорные — от 25 м; низконапорные — от 3 до 25 м. Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующегося напора воды: плотинные ГЭС. приплотинные ГЭС. деривационные ГЭС. гидроаккумулирующие электростанции.

1.3 АЭС – атомные электростанции

Атомная электростанция (АЭС) — ядерная установка для производства энергии в заданных режимах и условиях применения, располагающаяся в пределах определённой проектом территории, на которой для осуществления этой цели используется ядерный реактор (реакторы) и комплекс необходимых систем, устройств, оборудования и сооружений с необходимыми работниками (персоналом) [3, 48]. Атомные электростанции использует 31 страна. На рисунке 5 показана схема работы атомной электростанции с двухконтурным водоводяным энергетическим реактором.Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель поступает в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища. Компенсатор давления представляет собой довольно сложную и громоздкую конструкцию, которая служит для выравнивания колебаний давления в контуре во время работы реактора, возникающих за счёт теплового расширения теплоносителя. Давление в 1-м контуре может доходить до 160 атмосфер (ВВЭР-1000). Помимо воды, в качестве теплоносителя в различных реакторах можно использовать расплавленные металлы: натрий, свинец, эвтектический свинцово-висмутовый сплав и др. (Давление не превышает атмосферное), избавьтесь от компенсатора давления. Основное преимущество — практическая независимость от источников топлива из-за небольшого количества используемого топлива. Например, 54 ТВС общим весом 41 тонна на двигатель с реактором ВВЭР-1000 за 1–1,5года (для сравнения: Троицкая ГРЭС мощностью 2000 МВт сжигает две нитки угля в сутки). Стоимость перевозки ядерного топлива минимальна по сравнению с обычным транспортом. В России это особенно важно в европейской части, так как доставка угля из Сибири слишком дорога. Главное преимущество атомной электростанции — ее относительная экологичность. Общие годовые выбросы загрязняющих веществ, в том числе диоксида серы, оксидов азота, оксидов углерода, углеводородов, альдегидов и летучей золы, колеблются от около 13 000 тонн в год для газовых ТЭС до 165 000 тонн для ТЭС с угольной пылью на 1 000 МВт установленной мощности. … Такие выбросы на АЭС происходят в редких случаях при использовании резервных дизель-генераторов. ТЭС мощностью 1000 МВт потребляют 8 млн тонн кислорода в год на окисление топлива, в то время как атомные электростанции не потребляют кислород [4, 175]. Основным недостатком АЭС являются серьезные последствия аварий, без которых АЭС оснащены сложнейшими системами безопасности с множественными резервами и резервированием, обеспечивающими исключение плавления активной зоны даже в случае отказа с максимальными проектными базами. В то же время в мире есть реакторы, которые не имеют важных систем безопасности, требуемых стандартами безопасности 1970-х годов.

2 АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

2.1 Геотермальные электростанции

Геотермальная энергия – это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре [5, 99]. Источники геотермальной энергии: Сухая нагретая порода – Для того, чтобы использовать энергию в геотермальных электростанциях, содержащуюся в сухой скальной породе, воду при высоком давлении закачивают в породу. Таким образом, расширяются существующие в породе изломы, и создается подземный резервуар пара или горячей воды. Магма – расплавленная масса, образующаяся под корой Земли. Температура магмы достигает 1 200 0С. Несмотря на то, что небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, практические методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки. Горячие, находящиеся под давлением, подземные воды, содержащие растворенный метан. В производстве электроэнергии используются и тепло, и газ.В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

2.2 ВЭС – ветряные электростанции

Ветряные электростанции производят электричество за счет энергии перемещающихся воздушных масс — ветра. Для ветряных электростанций с горизонтальной осью вращения минимальная скорость ветра составляет: 4-5 м/сек — при мощности >= 200 кВт 2-3 м/сек — если мощность <= 100 кВт. Ветроэлектростанция — это мачта, наверху которой размещается контейнер с генератором и редуктором. К оси редуктора ветряной электростанции прикреплены лопасти. Контейнер электростанции поворачивается в зависимости от направления ветра. Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения менее популярны. Сам генератор находится под мачтой, и главное, необходимость ориентации на ветер отсутствует. Ветряные электростанции с вертикальной осью вращения требуют для стабильной работы более высоких скоростей ветра и предварительного запуска от внешнего источника энергии. Основную проблему ветряных электростанций вызывает непостоянная природа ветра. При этом мощность ветряных электростанций в каждый момент времени переменна. Невозможно от одной ветроэлектростанции стабильное поступление определенных объемов электроэнергии. Преимущества: Ветряные электростанции не загрязняют окружающую среду вредными выбросами. Ветровая энергия, при определенных условиях может конкурировать с невозобновляемыми энергоисточниками. Источник энергии ветра — природа — неисчерпаема.Самый распространённый в настоящее время тип наземный ветровых электростанций на рисунке 7 Ветрогенераторы устанавливаются на холмах или возвышенностях. Существуют так же: Прибрежные ВЭС; Шельфовая ВЭС; Плавающая ВЭС; Парящая ВЭС на рисунке 8; Горная ВЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

История развития предприятий, производящих электроэнергию, показывает, что научно-технический прогресс является мощной движущей силой, оказывающей огромное влияние на деятельность предприятий отрасли. В совершенствовании устройств и технологической схемы производства задействованы новейшие достижения практически всех отраслей современной промышленности. Изменение технологической составляющей требует поиска новых конструктивных и конструктивных подходов, правил и способов формообразования, а значит, напрямую влияет на особенности выбора пространственных решений в современных теплоснабжающих предприятиях. В данной работе были рассмотрены основные электростанции, их принцип работы, схемы и изображения для наглядного представления.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Охлопкова О.А. Тепловая электростанция (ТЭЦ): Учебное пособие. – М.: 2019 – 70 с., цв. илл 2 Затеев В.Б. Введение в специальность гидроэлектроэнергетика: учебное пособие / сост. В.Б. Затеев. – Саяногорск : СШФ СФУ, 2007 – 156 с. 3 Стерман Л.С. Тепловые и атомные электрические станции : учебник/ Л.С.Стерман, В.М.Лавыгин, С.Г.Тишин. -4-е изд., перераб. и доп.. — М.: МЭИ, 2008 -464 с.: ил. 4 Трухния А.Д. Основы современной энергетики / под общ.ред. чл.-корр.РАН Е. В. Аметистова. — М.: Издательский дом МЭИ, 2008 — Т. 1 — С. 174—175. — 472 с. 5 Владимир Сидорович. Мировая энергетическая революция: Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир. — М.: Альпина Паблишер, 2015 — 208 с. 6 Дегтярев К. Тепло земли. — Наука и жизнь. — № 9, 10, 2013 г. 7 Понятов А. Вступив в эпоху электричества // Наука и жизнь. — 2020 — № 1 — С. 16−17.