Выработка и распределение электроэнергии

Электрическая энергия, которой снабжается огромное количество потребителей в домах, учреждениях и предприятиях, вырабатывается на электростанциях. В зданиях электростанции расположены генераторы, вращающие их двигатели, трансформаторы и распределительные системы. Они превращают химическую энергию угля, нефти, природного газа и ядерного синтеза в тепловую, а затем в электрическую.

Трансформатор предназначен для изменения напряжения в электросети. Здесь изображен сердечник трансформатора, поднимающего напряжение от 23 до 400 кВ

Хотя процесс получения электрической энергии характеризуется низким кпд, он практически сравним с процессами использования других видов энергии. На электростанциях, использующих горючие ископаемые (уголь, нефть), около двух третей тепловой энергии теряется в атмосферу или окружающее пространство, а остальная энергия расходуется на производство электроэнергии. Имеются также дополнительные потери в линиях передачи электроэнергии в распределительной сети [3]. Однако несмотря на недостатки, система является лучшей из существующих в настоящее время для питания энергией тысяч различных приборов в домах и на предприятиях. Электрическая энергия удобнее и безопаснее любой из известных форм энергии.

Передача электрической энергии со станций потребителям производится сетью воздушных линий передач или подземных кабелей различного напряжения. При низком напряжении потери велики, поэтому необходимо поддерживать его как можно выше. Подземные кабели [1, 3] изолируют (пластмассой или погружением в масло); воздушные провода [2] не изолируют, так как воздух-хороший изолятор. Плетеный шинный кабель [4] подает энергию к местной подстанции, откуда она поступает по кабелям в свинцовой или алюминиевой оболочке [5] к потребителям.

Экономные пути получения электроэнергии. Энергия, получаемая от машин, которые приводятся в действие водой, накапливаемой за плотинами, или от приливных течений [6], не связана с тепловыми потерями.

На приливной электростанции в Ранее (Франция) используется энергия морских приливов. Специальные турбины вращаются протекающей водой в одну или другую сторону. При приливе вода направляется через большой туннель и вращает находящиеся там турбины. При отливе вода, удерживаемая плотиной, устремляется в обратную сторону, также вращая турбины. При малом потреблении электроэнергии турбины приводятся в движение насосами, которые увеличивают запасы воды в бассейне; это позволяет выработать дополнительную энергию в часы пиковых нагрузок. Эта станция имеет 24 генераторных установки, расположенных в горизонтальных туннелях

Менее известны генераторы, использующие солнечную энергию [2] или энергию ветра [4]. Капитальные затраты на строительство плотин для гидроэлектрических систем или производство солнечных батарей, преобразующих энергию Солнца в электричество, чрезвычайно высоки. Однако быстрое истощение природных топливных ресурсов и все увеличивающееся загрязнение окружающей среды тепловыми станциями-факторы, которые со временем могут опрокинуть экономические соображения. Там, где доступ к природным ископаемым затруднен, особое значение приобретает экономическая целесообразность развития систем, использующих другие формы энергии.

Солнечная батарея на полусинхронной орбите-одна из систем, преобразующих солнечную энергию в электрический ток. Батарея вынесена за пределы атмосферы. Постоянный ток от нее поступает к антенне [1] умформера, где преобразуется в ультракороткие волны [2].

В атмосфере УКВ частично теряют энергию [3], а на земле попадают на панели коллекторов [4], откуда передаются на станции [5] для преобразования в переменный ток

Для работы ветряных мельниц необходимы большие лопасти и устойчивый ветер, но при соединении с аккумуляторами они могут дать дешевую энергию

По этим причинам доля электроэнергии, производимой атомными электростанциями (АЭС) в промышленно развитых странах, будет увеличиваться. Их общий кпд не выше, чем у ТЭС [1], однако относительно низкая (на единицу рабочего времени) стоимость топлива делает АЭС экономически рентабельными.

В тех местах, где источниками энергии являются нефть, уголь, ядерный синтез, ветер или вода, электрическая энергия производится обычными машинами — турбинами и генераторами. В самих генераторах превращение механической энергии в электрическую происходит с очень высоким кпд: потери составляют не более 2%.

В ТЭС генераторы вращает пар. Пар пропускается под высоким давлением через турбины, находящиеся на одном валу с генератором, который дает ток. Потребление энергии постоянно меняется, меняется и расход пара. Для компенсации пиковых нагрузок необходимо быстро получать пар.

Система подачи электроэнергии. Большинство электростанций имеют несколько генераторов для обеспечения надежности в случае отказа одной из машин. Многие станции имеют по четыре машины, которые могут включаться и работать на полную мощность в случае пиковых нагрузок. При уменьшении нагрузки машины включаются поочередно, а некоторые из них работают с неполной нагрузкой.

От генераторов большие жесткие проводники в форме металлических полос (шин) идут к трансформаторам, где напряжение повышается для осуществления передачи. Провода, подвешенные на столбах, тянутся от станции во всех направлениях. В местах потребления энергии напряжение понижается другими трансформаторами до удобного для потребителя уровня. Некоторые распределительные системы можно располагать под землей. И в этом случае подводящий кабель от понижающих подстанций разветвляется после соответствующего понижения напряжения. Затем либо снаружи, либо под землей напряжение подается к промышленным или жилым районам, где происходит дальнейшее снижение напряжения, прежде чем ток поступит в дома или на предприятия. Наружные линии также могут подходить к подстанциям; это позволит избежать подземных коммуникаций. Однако практически все потребители в городах и населенных пунктах снабжаются электроэнергией с помощью подземных кабелей.

Типичные напряжения на трех основных стадиях-33 кВ, 11 кВ и 415 В (или 240 В в одной фазе). Высокое напряжение переменного тока в распределительной сети обычно имеет три фазы, передаваемые по четырем проводам: трем, передающим ток, и одному нейтральному. Для внутренних нужд пользуются низким напряжением, которое получается при использовании одной фазы переменного тока, передаваемой по двум проводникам (одному с напряжением и нейтральному).

В различных точках вдоль линии пере дачи от электростанции до потребителя располагаются выключатели, в том числе автоматические, и устройства для предохранения сети и оборудования от перегрузок и грозового разряда.

Национальные и международные системы передачи электроэнергии. Энергетическая система связывает электростанции между собой линиями электропередач. Все станции страны связаны в единую энергосистему [5]. Это позволяет отключать отдельные станции для ремонта или замены генератора и допускает возможность продолжительной работы наиболее экономичных станций на расчетном режиме нагрузки. Энергосистемы многих европейских стран также связаны в единую систему (Великобритания связана с Францией кабелем, проходящим под Ла-Маншем), что дает возможность отдельным странам продавать или покупать электроэнергию.

Распределение энергии в Великобритании производится из единого центра в Лондоне. Страна разделена на районы (см. карту). Каждый район производит и потребляет энергию, подчиняясь Национальному центру управления. Все районы соединены линиями передач, поэтому при выходе из строя генераторов энергия из одного района подается в другой. Районы с более дорогими топливными ресурсами предпочитают получать энергию извне. АЭС производят самую дешевую энергию и их стремятся максимально загружать, вводя другие станции при необходимости. В помещении Центрального управления операторы ищут наиболее экономичные пути использования ресурсов с учетом погоды, стоимости топлива, кпд установок, мощности кабеля. Они получают информацию от ЭВМ. Дисплеи на столах показывают детальное положение всех линий передач, состояние оборудования, нагрузку и запасы мощности в любой части Национальной сети.