Elektrárna nebo elektrárna je průmyslový podnik na výrobu elektřiny .
Provoz většiny moderních elektráren je založen na přeměně zdrojové energie na mechanickou energii, která je následně v elektrických generátorech přeměněna na elektřinu a přiváděna do elektrické sítě .
Zdroje energie používané k pohonu generátorů mohou být velmi rozmanité. Většina světových elektráren spaluje k výrobě elektřiny fosilní paliva , jako je uhlí, ropa a zemní plyn. Nízkouhlíkové zdroje energie zahrnují jaderné reakce a obnovitelné zdroje .
Nejrozšířenější jsou tepelné elektrárny (TPP) . Hlavními jednotkami tepelných elektráren, které přeměňují tepelnou energii spalování paliva na elektrickou energii, jsou parní turbíny , plynové turbíny , spalovací motory a také jejich kombinace.
V 50. letech 20. století se objevil nový typ elektráren - jaderné (JE) , využívající tepelnou energii získanou v reaktoru udržováním jaderné řetězové štěpné reakce jaderného paliva , především uranu 235 U , 238 U a plutonia 239 Pu . . Další přeměna tepelné energie uvolněné v jaderném reaktoru probíhá podobně jako v tepelné elektrárně v zařízení s parní turbínou. Na základě údajů Mezinárodní agentury pro atomovou energii [1] a Světové jaderné asociace [2] se podíl světové výroby elektřiny v jaderných elektrárnách blíží 11 %. Přestože otázky umístění, zpracování a likvidace jaderného odpadu, stejně jako možné škody na životním prostředí haváriemi či havarijními situacemi při provozu jaderných elektráren, nejsou dosud zcela vyřešeny, provoz tohoto typu elektrárny je relativně čistá a šetří naši planetu před emisemi velkého množství skleníkových plynů . Podle zprávy Světové energetické rady (WEC) pro rok 2020 hraje jaderná energie důležitou roli v energetickém sektoru v Evropě a je uznávána jako slibná součást bezuhlíkové energetiky [3] .
Velký význam mají vodní elektrárny (VVE) , které využívají energii klesajících vodních toků a v současnosti vyrábějí až 21 % veškeré elektřiny. Přeměna energie ve vodních elektrárnách má tu výhodu, že se materiální nosič energie - voda neničí jako organické palivo, ale je zachován v přírodě. VE vyžadují velké kapitálové výdaje na vodní stavby (vysoké přehrady apod.), ale nízké provozní náklady. Elektřina vyrobená vodními elektrárnami je nejlevnější [4] .
Kromě výše zmíněných elektráren, které se obvykle označují jako „konvenční“, existuje široká škála elektráren, které k výrobě elektřiny využívají obnovitelné zdroje energie . Například elektrárny využívající energii větrných proudů - větrné elektrárny ; sluneční záření - helioelektrické nebo solární elektrárny (SES) ; příliv a odliv oceánských vodních elektráren (PES) ; tepelná energie podzemních termálních vod - geotermální elektrárny (GeoTES) ; rozdíl teplot vody na povrchu a v hlubinách oceánu a další.
V některých typech elektráren není elektřina jediným druhem vyráběné energie. Na TPP lze využít kogeneraci nebo kogeneraci, tedy společnou výrobu tepla a elektřiny v topných parních turbínách s jedním nebo více řízenými odběry páry odesílané do síťových kotlů k ohřevu vody v síti pro potřeby vytápění, nebo v turbínách s výrobou. odběr páry pro technologické potřeby blízkého průmyslového podniku. Tepelné elektrárny s takovými turbínami se nazývají kombinované tepelné elektrárny (CHP) .
Existují také zařízení pro přímou přeměnu energie na elektrickou energii, například MHD generátor , fotovoltaické měniče atd.
Od počátku XVIII století. v továrnách a továrnách se začínají používat pístové parní stroje, později výrazně vylepšené skotským inženýrem-vynálezcem Jamesem Wattem . Vynález vinutí kotvy dynamoelektrických strojů v roce 1871 Belgičanem Zenobem Theophilem Grammem dal podnět k průmyslové výrobě elektrického proudu [5] . První elektrárnou byla vodní elektrárna, kterou v roce 1878 navrhl a postavil anglický inženýr, baron William Armstrong , na svém panství Cragside v Anglii . Používala jezerní vodu a poháněla dynamo Siemens . Vyrobená elektřina byla využívána pro svícení, vytápění, zásobování teplou vodou, provoz zvedacího stroje a různých domácích mechanismů [6] .
Na podzim roku 1881 byla ve městě Godalming v Anglii postavena centrální elektrárna zajišťující provoz sítě pouličního osvětlení. Stalo se tak poté, co se vedení města nedokázalo dohodnout s plynárenskou společností na smluvní ceně za osvětlení města. V tu chvíli se ve městě konala výstava osvětlovacích systémů od Calder & Barrett .kteří nabízeli své služby za nižší cenu. Čestný občan města pan Pullman, majitel kožedělné továrny R. & J. Pullman, poskytl jeden ze svých dvou vodních mlýnů na řece Weipro umístění elektrického stroje. Alternátor se samostatným stejnosměrným budičem dodával elektřinu 7 obloukovkám zapojených do série a 40 žárovkám navrženým Josephem Swanem , zapojeným paralelně do samostatné sítě. Instalace se ukázala jako komerčně nerentabilní a byla převedena do vedení společnosti Siemens Brothers ., a poté zcela uzavřen v roce 1884 [7] .
12. ledna 1882 byla v Londýně uvedena do provozu první veřejná tepelná elektrárna na uhlí na světě, Edison Electric Light Station .), navržený americkým vynálezcem Thomasem Edisonem , organizovaný Edwardem Johnsonem . Kotel Babcock & Wilcox vyráběl páru pro provoz parního stroje o výkonu 125 k. S. (93 kW), který roztáčel 27tunový elektrický stejnosměrný generátor. Edisonovo zařízení dodávalo elektřinu zákazníkům nacházejícím se podél Holbornského viaduktu. Zpočátku poskytoval asi tisíc žárovek po 16 svíčkách, pak se jejich počet rychle zvýšil na 3000. Mezi spotřebitele elektřiny patřili např. City Temple Church, budova centrálního trestního soudu Old Bailey . Elektrické vedení od elektrárny k zákazníkům bylo položeno v četných odvodňovacích kanálech Holbornského viaduktu. Edison věřil, že jejich nejlepším řešením by bylo položit je pod zem, ale to by vyžadovalo vyhloubení ulic města a v té době existovala silná lobby plynárenských společností, které měly zakázky na pouliční osvětlení. Dalším významným zákazníkem byla londýnská pošta, ale nebylo možné se k ní dostat odvodňovacími kanály viaduktu, takže nápad navrhl Edward Johnson - položit kabel přes tavernu viaduktupo ulici Newgate. Navzdory skutečnosti, že schéma napájení Holbornského viaduktu bylo Edisonovým technickým úspěchem, elektrárna se po 2 letech uzavřela a nebyla schopna odolat konkurenci plynárenských společností [8] .
V září 1882 postavil Edison v New Yorku na Pearl Street uhelnou elektrárnu Pearl Street Stationosvětlit Dolní Manhattan elektřinou . Zpočátku měla stanice šest stejnosměrných dynam poháněných na zakázku vyrobenými vysokorychlostními parními motory Porter-Allen o výkonu 175 hp. S. rychlostí 700 ot./min [9] . Tyto stroje se ukázaly jako nespolehlivé kvůli citlivému řídicímu systému, proto byly nahrazeny motory od Armington & Sims Engine Company , které byly vhodnější pro roztočení Edisonových dynam [10] . Do roku 1884 poskytovala elektrárna 508 spotřebitelům 10 164 žárovek [11] . Elektrárna fungovala až do roku 1890, kdy byla zničena požárem. Jediné dynamo, které přežilo požár, je nyní vystaveno ve Fordově muzeu v Detroitu , Michigan , USA [12] .
V roce 1884 začal americký inženýr a podnikatel George Westinghouse vyvíjet vlastní stejnosměrný systém pro osvětlení soukromých domácností, pro který si najal amerického fyzika Williama Stanleyho Jr .. V roce 1885 četl Westinghouse v anglickém technickém časopise Engineering o nových evropských systémech střídavého proudu [13] . Střídavý proud měl výhodu oproti stejnosměrnému proudu, protože umožňoval výhodněji přepravovat elektřinu na velké vzdálenosti pomocí napěťových transformátorů zvyšujících a snižujících napětí. Ve spolupráci s Nikolou Teslou vyvinul Westinghouse svou síť střídavého proudu: v roce 1885 koupil Gaulard - Gibbsův transformátor a alternátor Siemens a začal své experimenty v Pittsburghu . V roce 1886 William Stanley spolu s Westinghouse instaloval ve městě Great Barrington, Massachusetts přenosové vedení, které přenášelo energii z 500V hydroelektrického generátoru přes snižovací transformátor do 100V osvětlovací sítě zásobující soukromé podniky a domácnosti.
Vynález parní turbíny v roce 1884 anglo-irským inženýrem a vynálezcem Charlesem Parsonsem umožnil postavit výkonnější a účinnější tepelné elektrárny pro tepelné elektrárny. V roce 1892 byly parní turbíny považovány za nejlepší alternativu pro použití v tepelných elektrárnách ve srovnání s parním strojem, protože měly vyšší rychlost otáčení, byly kompaktnější a umožňovaly stabilnější řízení aktuální frekvence, když několik generátorů pracovalo paralelně. společná síť [14] . Do roku 1905 parní turbíny zcela nahradily parní stroje ve velkých tepelných elektrárnách.
Zpočátku elektrické vedení fungovalo při různých frekvencích elektrického proudu v závislosti na typu zátěže. Pro provoz osvětlovací sítě byl vyžadován proud vyšší frekvence, pro provoz trakčních zařízení kolejových vozidel dráhy a výkonných elektromotorů byl preferován proud nízkofrekvenční. Po zavedení sjednocení frekvence střídavého proudu v energetické soustavě se zlepšila ekonomická výkonnost elektráren: jedna elektrárna dodávající elektřinu velkému podniku mohla během dopravní špičky dodávat elektřinu do příměstských elektrických vlaků a poté sloužit k provozu městské osvětlovací sítě v večer, což zvýšilo hodnotu faktoru využití instalovaného výkonu a snížilo náklady na výrobu elektřiny.
Během prvních desetiletí 20. stol elektrárny se zvětšily, přešly na vyšší parametry ostré páry pro zvýšení účinnosti, elektrárny byly sloučeny do společné energetické soustavy - to vedlo ke zvýšení spolehlivosti napájení a snížení nákladů na elektřinu. Využití vedení vysokého napětí umožnilo zásobovat vzdálená města elektřinou z vodních elektráren, které byly vybudovány na vodopádech. Použití parních turbín v tepelných elektrárnách umožnilo zvýšit instalovaný výkon elektráren, protože turbogenerátory již nebyly limitovány maximálním možným výkonem řemenového pohonu ani rychlostí relativně pomalých parních strojů. Vedení ve výstavbě centrálních elektráren těch let je spojeno se jmény George Westinghouse a Samuela Insulla v USA, Ferrantiho a Charlese Hestermana Mertze ve Velké Británii a mnoha dalších [15] .
Většina elektráren, ať už vodních, tepelných (jaderné elektrárny, tepelné elektrárny a další) nebo větrných elektráren, využívá ke své práci rotační energii hřídele generátoru.