Принцип работы теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) основан на уникальном свойстве водяного пара – быть теплоносителем. В разогретом состоянии, находясь под давлением, он превращается в мощный источник энергии, приводящий в движение турбины теплоэлектростанций (ТЭС) — наследие такой уже далекой эпохи пара.

Первая тепловая электростанция была построена в Нью-Йорке на Перл-Стрит (Манхэттен) в 1882 году. Родиной первой российской тепловой станции, спустя год, стал Санкт-Петербург. Как это ни странно, но даже в наш век высоких технологий ТЭС так и не нашлось полноценной замены: их доля в мировой энергетике составляет более 60 %.

И этому есть простое объяснение, в котором заключены достоинства и недостатки тепловой энергетики. Ее «кровь» — органическое топливо – уголь, мазут, горючие сланцы, торф и природный газ по-прежнему относительно доступны, а их запасы достаточно велики.

Большим минусом является то, что продукты сжигания топлива причиняют серьезный вред окружающей среде. Да и природная кладовая однажды окончательно истощится, и тысячи ТЭС превратятся в ржавеющие «памятники» нашей цивилизации.

Принцип работы

Для начала стоит определиться с терминами «ТЭЦ» и «ТЭС». Говоря понятным языком – они родные сестры. «Чистая» теплоэлектростанция – ТЭС рассчитана исключительно на производство электроэнергии. Ее другое название «конденсационная электростанция» – КЭС.

Теплоэлектроцентраль – ТЭЦ — разновидность ТЭС. Она, помимо генерации электроэнергии, осуществляет подачу горячей воды в центральную систему отопления и для бытовых нужд.

Схема работы ТЭЦ достаточно проста. В топку одновременно поступают топливо и разогретый воздух — окислитель. Наиболее распространенное топливо на российских ТЭЦ – измельченный уголь. Тепло от сгорания угольной пыли превращает воду, поступающую в котел в пар, который затем под давлением подается на паровую турбину. Мощный поток пара заставляет ее вращаться, приводя в движение ротор генератора, который преобразует механическую энергию в электрическую.

Далее пар, уже значительно утративший свои первоначальные показатели – температуру и давление – попадает в конденсатор, где после холодного «водяного душа» он опять становится водой. Затем конденсатный насос перекачивает ее в регенеративные нагреватели и далее — в деаэратор. Там вода освобождается от газов – кислорода и СО 2 , которые могут вызвать коррозию. После этого вода вновь подогревается от пара и подается обратно в котел.

Теплоснабжение

Вторая, не менее важная функция ТЭЦ – обеспечение горячей водой (паром), предназначенной для систем центрального отопления близлежащих населенных пунктов и бытового использования. В специальных подогревателях холодная вода нагревается до 70 градусов летом и 120 градусов зимой, после чего сетевыми насосами подается в общую камеру смешивания и далее по системе тепломагистралей поступает к потребителям. Запасы воды на ТЭЦ постоянно пополняются.

Как работают ТЭС на газе

По сравнению с угольными ТЭЦ, ТЭС, где установлены газотурбинные установки, намного более компактны и экологичны. Достаточно сказать, что такой станции не нужен паровой котел. Газотурбинная установка – это по сути тот же турбореактивный авиадвигатель, где, в отличие от него, реактивная струя не выбрасывается в атмосферу, а вращает ротор генератора. При этом выбросы продуктов сгорания минимальны.

Новые технологии сжигания угля

КПД современных ТЭЦ ограничен 34 %. Абсолютное большинство тепловых электростанций до сих пор работают на угле, что объясняется весьма просто — запасы угля на Земле по-прежнему громадны, поэтому доля ТЭС в общем объеме выработанной электроэнергии составляет около 25 %.

Процесс сжигания угля многие десятилетия остается практически неизменным. Однако и сюда пришли новые технологии.

Особенность данного метода состоит в том, что вместо воздуха в качестве окислителя при сжигании угольной пыли используется выделенный из воздуха чистый кислород. В результате, из дымовых газов удаляется вредная примесь – NОx. Остальные вредные примеси отфильтровываются в процессе нескольких ступеней очистки. Оставшийся на выходе СО 2 закачивается в емкости под большим давлением и подлежит захоронению на глубине до 1 км.

Метод «oxyfuel capture»

Здесь также при сжигании угля в качестве окислителя используется чистый кислород. Только в отличие от предыдущего метода в момент сгорания образуется пар, приводящий турбину во вращение. Затем из дымовых газов удаляются зола и оксиды серы, производится охлаждение и конденсация. Оставшийся углекислый газ под давлением 70 атмосфер переводится в жидкое состояние и помещается под землю.

Метод «pre-combustion»

Уголь сжигается в «обычном» режиме – в котле в смеси с воздухом. После этого удаляется зола и SO 2 – оксид серы. Далее происходит удаление СО 2 с помощью специального жидкого абсорбента, после чего он утилизируется путем захоронения.

Пятерка самых мощных теплоэлектростанций мира

Первенство принадлежит китайской ТЭС Tuoketuo мощностью 6600 МВт (5 эн/бл. х 1200 МВт), занимающей площадь 2,5 кв. км. За ней следует ее «соотечественница» — Тайчжунская ТЭС мощностью 5824 МВт. Тройку лидеров замыкает крупнейшая в России Сургутская ГРЭС-2 – 5597,1 МВт. На четвертом месте польская Белхатувская ТЭС – 5354 МВт, и пятая – Futtsu CCGT Power Plant (Япония) – газовая ТЭС мощностью 5040 МВт.

Еще в древней Греции упоминалось об электрических явлениях. Правда, по настоящему заговорили об электричестве только в конце 18в. С этого момента люди начинают работать над созданием источниками электричества (), электродвигателей. Первым создал электродвигатель, и тем самым положил началу производства генераторов тока, русский ученый Б. С. Якоби. Четыре года ушло на совершенствование первого двигателя, после он был испытан на Неве. С этого момента началось массовое производство , электродвигателей.

Время шло, развитие не стояло на месте, а возможности увеличить дальность передачи от электростанции постоянного тока не было. С этого момента началось развитие однофазных генераторов переменного тока. В России электростанции переменного тока появились в конце 1880 годов. Первый город, который был переведен на полное элетроснабжение, было Царское село. Вскоре в России появилась первая электростанции мощность 800кВА.Она находилась в Петербурге и имела сеть линий передач длиной более 60км. Но станция вырабатывала однофазный ток, который подходил для большинства бытовых нужд и не могла обеспечить электричеством более сложную технику.

Поэтому в начале 90-х годов русским ученым был изобретен трехфазный генератор переменного тока. Данная технология получила широкое применение в производстве и стала использоваться повсеместно.

С развитием технологий и ростом городов, появилась потребность в электроснабжении труднодоступных участков, куда не возможно было провести ЛЭП. И люди начали думать о возможности «перенести» электричество в необходимые участки. Все началось с изобретения двигателя внутреннего сгорания, который был изобретен в конце 90х годов Р.Дизелем. В основе работы было сжигание топлива при высокой температуре воздуха в цилиндре. В итоге, в совокупности этих двух изобретений (генератора переменного тока и ДВС), была создана первая портативная электростанция с двигателем внутреннего сгорания.

Принцип работы был довольно прост: при запуске двигатель приводит в движение генератор, который начинает вырабатывать электричество напряжение 220В либо 380В. Обычно используется асинхронный генератор в данных станциях.

На данный момент существуют двигатели, которые работают на бензиновом топливе (АИ92) и дизельном топливе. Мощность портативных электростанций обычно колеблется от 0,9кВт до 20кв и обычно они используются для поддержания электричества в загородных домах. Также стоит заметить, что бензиновые электростанции имеют мощность от 0,9кВт до 20 кВт, когда дизельные электростанции от 3кВт и выше. Кроме портативных (бытовых) генераторов существуют дизель-генераторные установки, мощность которых доходит до 3мВт. Электростанции такой мощности чаще уже используются на производстве, где требуется непрерывное электроснабжение для работы.

Устройство и виды ветровых электростанций

Ветровые электростанции являются одним из вариантов получения альтернативной энергии. Энергия ветра относится к возобновляемому виду наряду с солнечной, термальной и т. п. Потенциал ветровой энергетики, конечно, меньше солнечной, но всё равно перекрывает современные потребности человечества в энергии. КПД ветровых электростанций небольшой, и составляет в лучшем случае 30 процентов. Но всё равно их строительство продолжается, и они считаются довольно перспективным видом энергетических установок.

Ветровая электростанция состоит из определённого количества генераторов, которые собраны вместе. Крупные ветровые электростанции включают в себя до 100 и более отдельно стоящих ветрогенераторов. В литературе также можно встретить название ─ ветровые фермы. Сразу стоит сказать, что подобные электростанции можно строить только в определённых регионах планеты. В этих местах средняя скорость ветра должна быть не менее 4,5 метра в секунду.

Перед тем как построить ветровую электростанцию в каком-либо месте, там проводится длительное исследование характеристик ветра. Для этого специалисты используют такие приборы, как анемометры. Они устанавливаются на высоте примерно 30─100 метров, и 1─2 года накапливается информация о направлении и скорости ветра в этом месте. Затем на основании полученных сведений составляются карты доступности ветровой энергетики. Эти карты и различные методики расчёта используются теми предпринимателями, которые хотят оценить перспективность строительства ветровых электростанций в каком-либо регионе мира.

Стоит отметить, что стандартная информация о метеорологов не годится при оценке целесообразности строительства ветровой электростанции. Ведь информацию о ветре метеорологи собирают на высоте до 10 метров над поверхностью Земли. Практически во всех странах мира специальные карты доступности энергии ветра создаются либо государством, либо при его участии.

Среди примеров этого можно назвать атлас ветров и компьютерную модель WEST для Канады. Этим занимались министерство природных ресурсов и министерство развития этой страны. Благодаря этим сведениям предприниматели могут планировать строительство ветровых электростанций в любой точке Канады. В Организации Объединённых Наций ещё в 2005 году была создана карта ветров для 19 развивающихся стран.

Ветрогенераторы, работающие в составе ветровых электростанций, устанавливают на различных возвышенностях естественного или искусственного происхождения. И это неслучайно, поскольку скорость ветра тем больше, чем выше от поверхности планеты. Поэтому ветрогенераторы работают на специальных башнях, высота которых от 30 до 60 метров. При планировании ветровой электростанции также принимается в расчёт наличие деревьев, крупных строений и т. п. Всё это также может повлиять на скорость ветра.

Кроме того, при строительстве подобных электростанций должны учитываться требования к охране ОС и влияние на человека. Ведь от подобных установок исходит немалый шум. В европейских странах давно приняты законы, которые ограничивают максимальный уровень шума ветровых энергетических установок. Днём этот показатель не должен превышать 45 дБ, а ночью ─ 35 дБ. Подобные установки должны находиться на расстоянии не менее 300 метров от жилых домов. Кроме того, современные ветровые электростанции останавливаются на время перелёта птиц.

Ветровые электростанции, как правило, занимают большое пространство. Для их строительства используются такие регионы, которые мало заселены и не вовлечены в экономическую деятельность. Среди них можно назвать:

• Прибрежные районы;
• Шельф;
• Пустыни;
• Горы.

В состав ветровых электростанций входят отдельно стоящие ветрогенераторы. Давайте, вкратце рассмотрим, какая у них конструкция. В неё входят следующие узлы и детали:

• Ротор с лопастями. Занимается преобразованием ветровой энергии в энергию вращения. Как правило, роторы имеет три лопасти. Лопасти современных ветрогенераторов могут достигать 30 метров в длину. В большинстве случаев их изготавливают из полиэстера, который армирован стекловолокном. Скорость вращения лопастей в среднем составляет 10─24 оборота в минуту;
• Редуктор. Его задача заключается в повышении скорости вращения вала с 10─24 об/мин от ротора до 1,5─3 тысяч об/мин на входе в генератор. Существуют также конструкции ветрогенераторов, где ротор напрямую подключается генератору;
• Генератор. Он преобразует энергию вращения в электричество;
• Флюгер и анемометр. Они находятся на задней стороне корпуса ветрогенератора. Их задача собирать данные о скорости и направлении ветра. Полученные данные используются для увеличения выработки электроэнергии. Эта информация используется системой управления для запуска и остановки турбины, а также для контроля во время ее работы. Этот механизм разворачивает роутер в направлении максимального ветра. Ветрогенератор начинает работать при скорости ветра около 4 метров в секунду и отключается, когда она возрастает больше 25 м/сек;
• Башня. Она используется для установки ветрогенератора на высоте. Высота современных машин достигает 60─100 метров;
• Трансформатор. Он предназначен для преобразования напряжения, требуемого для электрической сети. Как правило, он находится у основания башни или встроен в неё.

Виды ветровых электростанций

• Прибрежные. Такие электростанции построены на небольшом расстоянии от береговой линии. Со стороны моря или океана на побережье идёт бриз. Он обусловлен неравномерным прогрева воды и суши. Днём ветер движется со стороны водоёма на берег, а ночью, наоборот, с побережья в сторону воды.
• Наземные. Это наиболее распространённый вид ветровых электростанций, в которых ветрогенераторы установлены на различных возвышенностях. Причём строительство ветрогенератора на заранее подготовленные площадки занимает примерно 2 недели. Значительно большее время уходит на согласование строительство со стороны контролирующих органов. Строительство таких электростанций сильно удалённых районах затруднено, поскольку для их установки требуется тяжёлая подъёмная техника. А это значит, что требуется подъездные пути. К тому же электростанцию нужно подключить кабелем к электрическим сетям;
• Шельфовые. Эти ветровые электростанции построены на расстоянии нескольких десятков километров от берега. Их плюсы заключаются в том, что они не занимают место на суше, их не слышно и их эффективность выше. Этот вид электростанций возводится в тех местах, где небольшая глубина. Их устанавливают на фундаменты, который изготавливают из свай забитых в морской грунт. Для передачи электроэнергии в электросети используются подводные кабели. Этот тип ветровых электростанций обходится дороже, чем наземный вариант. Для них требуется более мощные фундаменты, а морская вода часто приводит к ускоренной коррозии металлоконструкций. При строительстве этого вида электростанции применяют самоподъемные суда;
• Парящие. Это редкий тип ветровых электростанций. Концепция в своё время была разработана советским инженером Егоровым (1930). Высота установки подобных ветрогенераторов составляет несколько сотен метров над землёй. Мощность подобных турбин составляет 30─40 киловатт. Для того чтобы поднять ветрогенератор на такую высоту, используется надувная невоспламеняемая оболочка, которую наполняют гелием. В качестве проводника получаемого электричества используются канаты повышенной прочности;
• Плавающие. Плавающие ветровые генераторы появились относительно недавно. Конструктивно они представляют собой большие платформы с башней, уходящей под воду на несколько десятков метров. И примерно настолько же башня возвышается над водой. Чтобы стабилизировать на воде подобную систему, используется балласт из камней и гравия. Чтобы башня не дрейфовала, используются якоря. На берег электроэнергия передаётся с помощью подводного кабеля;
• Горные. По большому счёту это те же самые наземные ветровые электростанции, но только построенные в горах. В горах ветер дует значительно интенсивнее. За счёт этого такие станции более эффективны.

Полезные ископаемые, добываемые из недр земли и используемые человечеством в качестве энергоресурсов, к сожалению, не безграничны. С каждым годом их стоимость увеличивается, что объясняется сокращением уровня добычи. Альтернативным и набирающим обороты вариантом энергоснабжения выступают ветряные электростанции для дома. Они позволяют преобразовывать энергию ветра в переменный ток , что дает возможность обеспечивать все потребности в электричестве любых бытовых приборов. Главное преимущество таких генераторов – это абсолютная экологичность, а также бесплатное пользование электричеством неограниченное количество лет. Какие еще преимущества имеет ветрогенератор для дома, а также особенности его эксплуатации, разберем далее.

Еще древние люди заметили, что ветер может стать отличным помощником в осуществлении множества работ. Ветряные мельницы, позволявшие превращать зерно в муку, не затрачивая собственных сил, стали родоначальниками первых ветрогенераторов.

Ветряные электростанции состоят из определенного количества генераторов, способных получать, преобразовывать и накапливать энергию ветра в переменный ток. Они вполне могут обеспечить целый дом электроэнергией, которая берется из ниоткуда.