Et elkraftværk eller et kraftværk er en industrivirksomhed til produktion af elektricitet .
Driften af de fleste moderne kraftværker er baseret på omdannelse af kildeenergi til mekanisk energi, som derefter omdannes til elektricitet i elektriske generatorer og føres ind i det elektriske netværk .
De energikilder, der bruges til at drive generatorer, kan være meget forskellige. De fleste af verdens kraftværker forbrænder fossile brændstoffer som kul, olie og naturgas for at generere elektricitet. Kulstoffattige energikilder omfatter nukleare reaktioner og vedvarende kilder .
Termiske kraftværker (TPP'er) er de mest udbredte . De vigtigste enheder i termiske kraftværker, der omdanner den termiske energi fra brændstofforbrænding til elektrisk energi, er dampturbiner , gasturbiner , forbrændingsmotorer såvel som deres kombinationer.
I 50'erne af det XX århundrede dukkede en ny type kraftværker op - nukleare (NPP) , ved hjælp af termisk energi opnået i reaktoren ved at opretholde en nuklear kæde fissionsreaktion af nukleart brændsel , hovedsageligt uran 235 U , 238 U og plutonium 239 Pu . Yderligere omdannelse af den termiske energi, der frigives i en atomreaktor, sker på samme måde som et termisk kraftværk i et dampturbineanlæg. Baseret på data fra Det Internationale Atomenergiagentur [1] og World Nuclear Association [2] nærmer andelen af verdens elproduktion på atomkraftværker sig 11 %. På trods af at spørgsmålene om placering, behandling og bortskaffelse af nukleart affald samt mulige skader forårsaget af miljøet ved ulykker eller nødsituationer under driften af atomkraftværker, endnu ikke er fuldt løst, er driften af denne type af kraftværket er relativt rent og sparer vores planet for udledning af store mængder drivhusgasser . Ifølge rapporten fra World Energy Council (WEC) for 2020 spiller kerneenergi en vigtig rolle i energisektoren i Europa og anerkendes som en lovende komponent i kulstoffri energi [3] .
Af stor betydning er hydrauliske kraftværker (HPP'er) , som bruger energien fra faldende vandstrømme og i øjeblikket genererer op til 21% af al elektricitet. Energiomsætning på vandkraftværker har den fordel, at den materielle bærer af energi - vand ikke ødelægges som organisk brændsel, men bevares i naturen. HPP'er kræver store kapitaludgifter til hydrauliske strukturer (høje dæmninger osv.), men lave driftsomkostninger. Elektricitet produceret af vandkraftværker er den billigste [4] .
Ud over de ovenfor nævnte kraftværker, som normalt omtales som "konventionelle", er der en lang række kraftværker, der bruger vedvarende energikilder til at generere elektricitet . For eksempel kraftværker, der bruger energien fra vindstrømme - vindkraftværker ; solstråling - helioelektriske eller solenergianlæg (SES) ; ebbe og strømme af havvand- tidevandskraftværker (PES) ; termisk energi af underjordiske termiske farvande - geotermiske kraftværker (GeoTES) ; forskellen i vandtemperaturer ved overfladen og i havets dybder og andre.
I nogle typer kraftværker er elektricitet ikke den eneste type energi, der produceres. Ved TPP'er kan kraftvarme eller kraftvarme anvendes, det vil sige fælles produktion af varme og elektricitet i opvarmning af dampturbiner med et eller flere kontrollerede dampudtræk sendt til netkedler for at opvarme netvand til varmebehov, eller i turbiner med produktion dampudvinding til teknologiske behov hos en nærliggende industrivirksomhed. Termiske kraftværker med sådanne turbiner kaldes kombinerede varme- og kraftværker (CHP) .
Der er også installationer til direkte omdannelse af energi til elektrisk energi, for eksempel en MHD-generator , solcelleomformere mv.
Fra begyndelsen af det XVIII århundrede. frem- og tilbagegående dampmaskiner begynder at blive brugt på fabrikker og fabrikker, senere væsentligt forbedret af den skotske ingeniør-opfinder James Watt . Opfindelsen i 1871 af ankerviklingen af dynamoelektriske maskiner af belgieren Zenob Theophilus Gramm gav anledning til industriel produktion af elektrisk strøm [5] . Det første kraftværk var et vandkraftværk, designet og bygget i 1878 af en engelsk ingeniør, Baron William Armstrong , på hans ejendom Cragside, England . Hun brugte søvand og drev en Siemens dynamo . Den genererede elektricitet blev brugt til belysning, opvarmning, varmtvandsforsyning, drift af en løftemaskine og forskellige husholdningsmekanismer [6] .
I efteråret 1881 blev der bygget et centralt kraftværk i byen Godalming , England, som sørgede for driften af et gadebelysningsnetværk. Det skete, efter at det ikke lykkedes bymyndighederne at nå til enighed med gasselskabet om kontraktprisen for belysning af byen. I det øjeblik blev der afholdt en udstilling af lyssystemer fra Calder & Barrett i byen.som tilbød deres tjenester til en lavere pris. Æresborger i byen, Mr. Pullman, ejer af R. & J. Pullman læderfabrikken, stillede en af sine to vandmøller ved Wei -floden til rådighed.til at rumme en elektrisk maskine. En generator med en separat DC exciter leverede elektricitet til 7 lysbuelamper forbundet i serie og 40 glødelamper designet af Joseph Swan , forbundet i et separat netværk parallelt. Installationen viste sig at være kommercielt urentabel og blev overført til ledelsen af Siemens Brothers ., og derefter helt lukket i 1884 [7] .
Den 12. januar 1882 blev verdens første offentlige kulfyrede termiske kraftværk, Edison Electric Light Station , sat i drift i London.), designet af den amerikanske opfinder Thomas Edison , organiseret af Edward Johnson . En Babcock & Wilcox-kedel producerede damp til at drive en 125 hk dampmaskine. Med. (93 kW), som roterede en 27-tons elektrisk jævnstrømsgenerator. Edisons anlæg leverede elektricitet til kunder placeret langs Holborn Viaduct. Til at begynde med gav den omkring tusinde pærer af 16 stearinlys, derefter steg deres antal hurtigt til 3000. Blandt forbrugerne af elektricitet var såsom City Temple Church, Old Bailey Central Criminal Court bygning . Elledninger fra kraftværket til kunderne blev lagt i Holborn Viaduktens talrige drænkanaler. Edison mente, at deres bedste løsning ville være at lægge dem under jorden, men det ville kræve udgravning af byens gader, og på det tidspunkt var der en stærk lobby fra gasselskaberne, der havde kontrakter om gadebelysning. En anden vigtig kunde var London Post Office, men det var umuligt at nå det gennem viaduktens drænkanaler, så ideen blev foreslået af Edward Johnson - at lægge et kabel over Viaduct Tavernlangs Newgate Street. På trods af at strømforsyningsordningen for Holborn Viaduct var Edisons tekniske succes, lukkede kraftværket efter 2 år, ude af stand til at modstå konkurrence fra gasselskaber [8] .
I september 1882 byggede Edison i New York på Pearl Street et kulfyret kraftværk Pearl Street Stationat belyse Lower Manhattan med elektricitet . Oprindeligt havde stationen seks DC-dynamoer drevet af specialfremstillede højhastigheds-Porter-Allen-dampmaskiner, der producerede 175 hk. Med. ved en hastighed på 700 rpm [9] . Disse maskiner viste sig upålidelige på grund af det følsomme kontrolsystem, så de blev erstattet af motorer fra Armington & Sims Engine Company , som var bedre egnet til at spinde Edisons dynamoer [10] . I 1884 forsynede kraftværket 508 forbrugere med 10.164 glødelamper [11] . Kraftværket fungerede indtil 1890, hvor det blev ødelagt af brand. Den eneste dynamo, der overlevede branden, er nu udstillet på Ford Museum i Detroit , Michigan , USA [12] .
I 1884 begyndte den amerikanske ingeniør og iværksætter George Westinghouse at udvikle sit eget jævnstrømssystem til belysning af private husholdninger, hvortil han hyrede den amerikanske fysiker William Stanley Jr. I 1885 læste Westinghouse i det engelske tekniske tidsskrift Engineering om de nye europæiske AC-systemer [13] . Vekselstrøm havde en fordel i forhold til jævnstrøm, da den gjorde det muligt mere rentabelt at transportere elektricitet over lange afstande ved hjælp af step-up og step-down spændingstransformere. I samarbejde med Nikola Tesla udviklede Westinghouse sit vekselstrømsnetværk: I 1885 købte han en Gaulard - Gibbs -transformer og en Siemens-generator og begyndte sine eksperimenter i Pittsburgh . I 1886 installerede William Stanley sammen med Westinghouse i byen Great Barrington, Massachusetts transmissionslinje, der førte strøm fra en 500V vandkraftgenerator gennem en step-down transformer til et 100V belysningsnetværk, der forsynede private virksomheder og husholdninger.
Opfindelsen af dampturbinen i 1884 af den anglo-irske ingeniør og opfinder Charles Parsons gjorde det muligt at bygge mere kraftfulde og effektive termiske anlæg til termiske kraftværker. I 1892 blev dampturbiner anset for at være det bedste alternativ til brug på termiske kraftværker sammenlignet med en dampmaskine, da de havde et højere omdrejningstal, var mere kompakte og tillod mere stabil styring af strømfrekvensen, når flere generatorer kørte parallelt med et fælles netværk [14] . I 1905 erstattede dampturbiner fuldstændigt dampmaskiner i store termiske kraftværker.
I første omgang kørte elledninger med forskellige frekvenser af elektrisk strøm, afhængigt af belastningstypen. Til driften af belysningsnettet krævedes en højere frekvensstrøm, til driften af trækanordninger af jernbanens rullende materiel og kraftige elektriske motorer var en lavfrekvent strøm at foretrække. Efter indførelsen af vekselstrømsfrekvensforening i elsystemet blev kraftværkernes økonomiske ydeevne forbedret: et kraftværk, der leverede elektricitet til en stor virksomhed, kunne levere elektricitet til forstædernes elektriske tog i myldretiden og derefter tjene til at drive byens belysningsnetværk i aftenen, hvilket øgede værdien af den installerede kapacitetsudnyttelsesfaktor og reducerede omkostningerne til elproduktion.
I de første årtier af det 20. århundrede kraftværker blev større, skiftede til højere parametre for levende damp for at øge effektiviteten, kraftværker blev slået sammen til et fælles elsystem - dette førte til en stigning i pålideligheden af strømforsyningen og et fald i prisen på elektricitet. Brugen af højspændingsledninger gjorde det muligt at forsyne fjerntliggende byer med elektricitet fra vandkraftværker, der var bygget på vandfald. Brugen af dampturbiner i termiske kraftværker gjorde det muligt at øge den installerede kapacitet af kraftværker, da turbogeneratorer ikke længere var begrænset af den maksimalt mulige effekt af et remdrev eller hastigheden af relativt langsomme dampmaskiner. Ledelsen i opførelsen af centrale kraftværker i disse år er forbundet med navnene George Westinghouse og Samuel Insull i USA, Ferranti og Charles Hesterman Mertz i Storbritannien og mange andre [15] .
De fleste kraftværker, hvad enten det er vandkraftværker, termiske (atomkraftværker, termiske kraftværker og andre) eller vindkraftværker, bruger generatorakslens rotationsenergi til deres arbejde.