Таких путей, как уже указывалось, пока два. Первый из них осуществлен на теплоэлектростанциях (ТЭС). Здесь можно указать два основных варианта: паросиловая конденсационная станция, где работает паровая турбина, и газотурбинная станция, где паровая турбина заменена газовой. Второй путь реализован на гидроэлектрических станциях (ГЭС). Схемы преобразования энергии на станциях этих типов показаны на рис. 3.
Конечная стадия процесса — собственно получение электроэнергии, происходит в принципе одинаково (как в ТЭС, так и в ГЭС) — на основе явления электромагнитной индукции.
1 О различных формах энергии и их ресурсах на Земле, а также о разных предложениях по их использованию можно прочесть в книгах: М. Васильев. Энергия и человек. М., Изд-во «Советская Россия», 1958; Π. П. Лазарев. Энергия, ее источники на Земле и ее происхождение. М. Изд-во АН СССР, 1959.
Рис. 3. Схемы и к.п.д. основных способов генерации электроэнергии в настоящее время.
Генераторы, установленные на электрических станциях, состоят из двух основных частей: неподвижной — статора и подвижной, вращающейся, — ротора. В обмотках ротора (индукторах) протекает ток возбуждения, который создает магнитное поле, непрерывно меняющее свое направление благодаря вращению ротора. Вследствие этого в неподвижных обмотках статора возникают индукционные токи. Это — переменные токи. Мощность их может быть во много раз больше, чем мощность токов возбуждения. Магнитное поле этих токов противодействует вращению ротора; поэтому турбина, вращающая ротор, должна совершать все время работу, поддерживая его вращение с постоянной скоростью. Таким образом, в турбогенераторном агрегате происходит преобразование мощности, развиваемой турбиной, в электрическую энергию.
Обычно электрические токи, возникающие в генераторе, не поступают прямо в передающие линии или в распределительную сеть; они сначала трансформируются (преобразуются) на более высокое напряжение в последнем агрегате электростанции — трансформаторе1 .
Если на этих последних стадиях оба пути генерации электроэнергии одинаковы, то в предыдущих стадиях они совершенно различны. В обоих случаях первоначальная энергия испытывает множество последовательных преобразований раньше, чем она превращается в конечную, нужную нам форму.
Начнем со схемы тепловой паротурбинной электростанции. Топливо, добытое в шахте, поступает в топку, где химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию (или, как говорят в термодинамике, внутреннюю энергию) горячих топочных газов. Затем в котле происходит передача этой теплоты рабочему веществу, обычно воде, которая превращается в пар с последующим его перегревом 2. Перегретый водяной пар поступает в паровую турбину, где своим напором приводит ротор турбины во вращение. Таким образом энергия пара превращается в кинетическую энергию ротора турбинного агрегата.
Схема преобразования энергии на газотурбинной станции проще, чем на паротурбинной, так как содержит на один элемент меньше. И здесь происходит сжигание топлива; однако топка и котел заменены одним элементом — камерой сгорания, а газы, образующиеся в результате сгорания топлива, являются одновременно рабочим веществом, поступающим в турбину. Передача тепла от топочных газов к рабочему веществу (пару) здесь отсутствует. Поэтому общий к. п. д. всего устройства несколько выше, чем в паросиловой установке. Но в обоих рассмотренных случаях в начале процесса происходит превращение химической энергии топлива в тепловую энергию. А тепловая энергия в силу своей природы обладает одной чрезвычайно неприятной особенностью — это энергия беспорядочного движения частиц вещества — молекул. Нам же нужно преобразовать ее в кинетическую энергию упорядоченной формы движения — течения газа. При таком преобразовании всегда, к сожалению, имеет место неполное использование тепловой энергии.
Теория тепловых процессов (термодинамика) показывает, что максимальный к. п. д. тепловой машины в идеальном случае выражается так:
, где Т2 — абсолютная температура3 холодильника, а Т1 — абсолютная температура нагревателя. В данном случае мы видим (рис. 3), что при переходе энергии пара в энергию вращения турбоагрегата к. п. д. составляет всего 30%. Эта величина, правда, сейчас не является предельной; в современных тепловых станциях сверхвысокого давления достигается к. п. д. порядка 40%. Но все же в этой ступени преобразования происходит наибольшая потеря энергии, превосходящая 50—60%.
Эта же стадия преобразования имеет место и в газотурбинной станции. Здесь к. п. д. немного больший. Полный к. п. д. использования топлива на тепловых электростанциях не превышает 30—40%.
Значительно лучше используется первоначальный запас энергии на гидроэлектростанции. Здесь нет процесса преобразования исходного вида энергии в промежуточную форму тепловой энергии. Поэтому нет ни одной ступени, где к. п. д. падал бы так низко. И общий к. п. д. всего процесса оказывается гораздо выше — доходит до 70%.
Несмотря на то, что на гидроэлектростанциях к. п. д. выше, и, кроме того, сам источник энергии — потенциальная энергия воды рек и озер — является даровым, все-таки теплоэлектростанции являются и по сей день основным поставщиком электроэнергии. Более того, по нашим планам увеличение производства электроэнергии в СССР на ряд ближайших лет намечается главным образом за счет тепловых электростанций.
Поэтому важнейшим является вопрос, как лучше использовать тепловую энергию, от которой мы до сих пор при массовом производстве электроэнергии используем 30—35%, максимум 40%. Какие же физические явления и какие принципы физики могут быть применены для лучшего производства электроэнергии?
1 Подробнее об устройстве и работе генераторов электрического тока см. во всех учебниках электротехники.
2 Пар, образующийся при кипении жидкости под определенным давлением, имеет определенную температуру, соответствующую точке кипения при этом давлении. Чтобы еще повысить его температуру и внутреннюю энергию, его нужно дополнительно нагреть в сосуде (перегревателе), не содержащем жидкости. При этом пар становится перегретым.
3 Абсолютной температурой называется температура, отсчитываемая от абсолютного нуля
