Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

По сей день существуют два основных промышленных способа приведения в движение вращающихся частей электрических машин — машин, производящих ток. Если эту работу выполняет энергия падающей воды, то мы говорим о гидроэлектростанциях (ГЭС); если движущей силой является давление пара на лопатки турбины, то мы говорим о теплоэлектростанциях (ТЭС).

Из класса ТЭС особо выделяют атомные электростанции (АЭС), хотя, по сути дела, они отличаются от обычных ТЭС лишь тем, что работают на другом горючем. Однако в обоих случаях мы получаем тепло, которое используем для получения пара.

Современный житель часто сталкивается с названием ТЭЦ — теплоэлектроцентраль или теплофикационные электростанции. ТЭЦ предназначены для снабжения потребителей не только электрической, но в первую очередь тепловой энергией в виде водяного пара или горячей воды.

Энергия падающей воды использовалась человеком с незапамятных времен. Водяное колесо древней мельницы является прообразом современной гидротурбины. Ударяясь в лопатку колеса, струя воды отдает ей часть своей кинетической энергии. Лопатка приходит в движение, колесо начинает вращаться.

Расположить лопатки колеса так, чтобы получить максимальный к. п. д., не так-то просто. Эту инженерную задачу решают специалисты по-разному в зависимости от условий падения воды. Разумеется, турбина будет (работать тем успешней, чем с большей высоты (а высоты эти достигают 300 м) обрушится на нее мощный водяной поток. Выполненные на высоком уровне современного инженерного искусства, гидравлические турбины проектируются на мощности, превышающие 500 МВт. Поскольку эти мощности создаются при довольно малых оборотах (порядка 100 в минуту), строящиеся сейчас гидравлические турбины поражают размерами и весом.

По направлению потока в рабочем колесе гидротурбины делятся на осевые и радиально-осевые. В Советском Союзе успешно работают гидротурбины радиально-осевого типа мощностью 508 МВт с диаметром рабочего колеса 7,5 м.

На гидростанциях вырабатывается сейчас самая дешевая электроэнергия, но их строительство обходится в несколько раз дороже тепловых станций и сооружаются они более длительное время. На гидростанциях установлены гидрогенераторы, которые приводятся во вращение гидравлической турбиной. Гидрогенераторы — очень большие синхронные машины, чаще всего с вертикальным валом. Диаметр ротора такой машины в 7—10 раз превышает его длину и в крупнейших машинах превосходит 15 м. Это необходимо для того, чтобы машина могла устойчиво работать при изменениях скорости гидравлической' турбины, приводящей ее во вращение. Ротор гидрогенератора имеет большое число явно выраженных полюсов. Так, генераторы Днепровской ГЭС имеют 72 полюса. Для питания обмотки полюсов постоянным током используется специальный генератор постоянного тока — возбудитель. Частота вращения гидрогенераторов невелика — 80—250 об/мин.

Гидрогенератор Красноярской ГЭС (мощностью 500 МВт) имеет частоту вращения 93,8 об/мин, диаметр его ротора 16 м, а масса 1640 т. Для Саяно-Шушенской ГЭС проектируется генератор на 650 МВт.

Как я уже говорил, использование гидроэнергии не обходится даром для окружающей среды. Но тем не менее преимущество ГЭС перед тепловыми станциями не подлежит сомнению. Прежде всего, ГЭС не потребляет топлива, запасы которого ничтожны. Но у тепловых электростанций имеется и еще один крупнейший недостаток. При превращении энергии топлива в электрическую, неизбежно значительная часть энергии уходит впустую.

Тем не менее что-нибудь около 80 % электроэнергии вырабатывается на тепловых станциях при помощи турбогенераторов, в которых силой является давление пара.

Для того чтобы к. п. д. генератора был большим, необходимо елико возможно увеличить температуру пара. Понятно, что этого можно достигнуть, лишь одновременно увеличивая давление. На современных ТЭС мощностью 200–300 МВт в турбины пускается пар, имеющий температуру 565 °C и давление 24 МПа.

Но почему надо стремиться к высоким температурам? Дело заключается в следующем. В паровой турбине мы в конечном счете используем то же самое явление, которое заставляет подпрыгивать неплотно пригнанную крышку чайника, когда в нем закипает вода. Иными словами, в паровой турбине происходит превращение тепловой энергий в механическую, а затем уже механической в электрическую. Так вот, при первом превращении (это можно строго доказать) теряется энергии не меньше, чем доля, равная отношению температуры окружающей среды к температуре пара (в кельвинах).

Весьма печально, что в современных устройствах для извлечения энергии приходится проходить через «тепловую ступень». Такой переход всегда связан с огромной потерей энергии, и идеальной электростанцией будущего станет такое предприятие, где энергия любого происхождения будет превращаться в электрическую энергию непосредственно. Пока эта важнейшая проблема не решена, нам остается лишь одно: стремиться к наиболее высоким температурам пара, газа или плазмы.