介绍
大部分人使用的能源是电力的形式,也称电。其方便性和多功能性使它理想的照明,操作家用电器,加热和冷却的房屋和建筑,和许多工业和交通的应用程序。其迅速蔓延的可用性在过去几百年里大多数的世界人口的生活发生了革命性变化。然而,全球近三分之一的人,大多是在欠发达国家,没有获得电力和它提供的好处。
大多数电力生成大型工厂使用煤,天然气,石油,核能。一些来自水力发电厂,发电用流动的水。发电厂的网站选择基于数量的考虑,包括冷却水的可用性,易于运输燃料,靠近用户或输电线路,和对环境的影响。
电动工具行业
电力生产和供应主要由公司公用事业。电力行业在美国开始的时候托马斯·爱迪生的珍珠街站在纽约开张,9月4日,1882年。站包含六个直流电(DC)发电机约100千瓦(千瓦),每一种都可以提供一个面积约1平方英里(2.6平方公里)。在多相交流(AC)系统的开发尼古拉·特斯拉1885年左右,引入改进的变压器乔治•威斯汀豪斯1887年,被打开的方式为现代交流发电和配电系统。电力公司在世界其他地区的迅速扩散。例如,由塞巴斯蒂安Ferranti Ziani德的工作,伦敦电力供应公司提供交流电源在1889年的伦敦。早期的发电机是由往复式蒸汽机驱动的。这些被大型汽轮机所取代,电厂的规模发展到一定阶段,典型的现代植物能产生500至4000兆瓦(MW),或500000到400万千瓦。
在大多数国家联邦、省、或国家政府拥有和操作电动工具。在美国,然而,发电和分布提供投资者所有的(私人)公用事业、国有公用事业、公用合作社,制造业也产生电能。三分之二的电力是由200多名投资者所有实用程序。公用事业属于联邦政府(如田纳西流域管理局)、公用事业属于地方政府和制造业生产约10%。大约900个实用的合作社,主要集中在权力分配到农村地区,只生成总数的一小部分。分布和在美国销售的电力是复杂的,与植物的所有权和电线传播各种公共和私人之间的系统。
就其本质而言,公用事业垄断;即客户别无选择,只能从当地购买电力工具。在美国,州政府和联邦政府在某种程度上决定利率通过监管委员会,以确保客户收取公平速率的电力和公用事业有一个公平的投资回报率。
生产的电力
世界上几乎所有的电力是由发电机,利用电磁感应的原理,由英国科学家第一次描述了迈克尔·法拉第在1830年代。当金属丝,这自然包含电子,移动相对于附近的磁铁,电子被迫穿过导线,从而产生电流。维尔纳•冯•西门子在德国在1860年代完善了发电机,它使用这一原则产生交流电力。现代发电机,主要来自西门子设计,使用一个旋转的转子电磁(本身通常由一个小发电机称为刺激神经,通常在同一轴)。在这个转子定子,成千上万的固定线,产生的电力是通过转子的磁场。大多数发电机产生三相交流电,由三个独立的电流通过单独的电线,运行的电压。100万瓦特/发电机输出功率的方法。
发电机转子被连接涡轮,旋转的气体或液体流经它的叶片。旋转转子的权力通常来自高压蒸汽产生的沸水,但它还可能涉及到自然流水或气体或燃烧的废气涡轮机。
传统蒸汽发电厂
大多数现代发电厂产生高压(2400到4500磅每平方英寸)、高温(经常超过1000°F (540°C)蒸汽锅炉,高达十层楼高,这可能是发射的煤炭、天然气或石油。通过汽轮机蒸汽膨胀,这是连接到一个发电机。然后浓缩蒸汽回水冷凝器和美联储回锅炉。所需的大量的冷却水凝结蒸汽可能来自河流,湖泊或海洋。它常常需要使用大型冷却塔水进一步降温。
2005年在美国大约一半的电力是在传统燃煤蒸汽植物生成的。小得多的百分比在蒸汽生成植物燃烧石油或天然气,这通常比煤更贵。
核电站
的能源源在一个核反应堆是分裂,所释放的热量或裂变的铀- 235或钚- 239原子轰炸时,中子。热转移到冷却剂,也用于控制反应。一般来说,冷却剂然后再转移水转化成蒸汽的热量。这反过来推动传统汽轮发电机组合。大多数在美国核电站使用压水或开水冷却剂。其他系统使用液态钠,加压气体(通常是二氧化碳),或重水(氧化氘)作为冷却剂,但它们并不是很常见。
在2005年有超过100的操作核反应堆在美国全国约五分之一的电力生产。没有新的订单美国核电站被放置在1978年之后由于公众担忧反应堆的安全性和高成本的建设。然而,许多其他国家继续建造核电站,目前约占世界电力产量的六分之一。在少数几个国家,包括法国,核能提供了大部分的电力。
水电站
电也在水电站生产,利用下降或水流湍急的能量水。2005年在美国大约7%的电力是由水电站。水通过一个水轮机与发电机相连。大型工厂,这取决于持有大量的水大坝,可以产生超过2000兆瓦。河流上有许多小植物,一些生成只有几百千瓦。
最大的工厂之一美国胡佛大坝,形成湖在科罗拉多河Arizona-Nevada边境,和大古力水坝在华盛顿州东部哥伦比亚河。胡佛水坝的装机容量为1244兆瓦,而大古力水坝的2025兆瓦。世界上最大的水力发电项目包括伊泰普大坝Brazil-Paraguay边境,产生12600兆瓦。中国的三峡大坝,于2003年开始运营,最终将产生超过18000兆瓦。
利用水力发电受限于地理和气候。它有最潜在的大河流经过大滴在海拔。在一些地方,它可以满足大部分的电力需求。形成的湖泊或水库大坝往往用于水资源管理、防洪、交通、和娱乐,但他们也可以覆盖其他可用的土地和取代大量的人。
其他商业植物
无法储存电能便宜和有效地要求每个实用程序有能力调整其输出功率瞬间来满足需求。尽管有一些灵活性操作大型蒸汽动力的植物,这种植物可能无法满足突然峰值需求。它可能需要长达八个小时开始另一个锅炉。出于这个原因,许多实用程序已经安装了燃气轮机峰值植物产生额外的权力在很短的时间内。这些植物是类似于喷气式飞机的涡轮发动机和燃烧天然气或石油燃料。单独使用,这些植物只有大约一半高效的大型工厂,但是他们是有效的最高产量。这个想法是联合循环电厂的变异,从燃气轮机余热用于汽轮机烧水,然后生成额外的权力。这种类型的工厂增加了燃气轮机的效率和经济吸引力。
太阳能、地热能和风力发电机越来越商业的电力来源。即便如此,这些来源使用的每个提供不到1%的电力在美国。比例远高于在其他一些国家,如丹麦,风提供了五分之一的电力。
电力传输和分配
电力可以提供直流电(DC),电流稳定在一个方向上,或作为交流电(AC),电流的方向迅速交替,或者来回切换。每一种都有其优点和缺点,但交流成为了标准的商业力量在1890年左右。托马斯。爱迪生是美国的强烈支持者,声称,除此之外,它是安全的。乔治西屋和尼古拉·特斯拉倡导交流,认为它可能是长距离传播更有效率。原因是电压的交流可以使用变压器或高或低。在传输之前,变压器提高发电厂的电压输出,大大降低了电流沿传输线,因此最大限度地减少损失。在用户的结束,一个变压器电压降低到一个安全的水平。
一些设备,如AC电力汽车、运行速度与当前交替的频率成正比。因此,必须保持恒定的频率通过确保涡轮机和发电机将在一个固定的速度。相当大的工程努力致力于控制蒸汽或水流动来实现这一点。在美国标准频率为60赫兹(每秒的周期数);在南美和欧洲部分地区50赫兹,和日本使用一些。
最常见的来源,这是需要在某些应用程序中,是电池虽然交流也可以纠正,或由一个方向。直流电力行业的应用相对较少,尽管非常高压(300000到750000伏)直流有时用于长距离输电。直流输电也允许互连电力系统在不同的频率,比如那些在南美的部分地区。高压交流电整流直流使用设备称为晶体闸流管,传播,然后再转换回交流(可以以不同的频率)的另一端。
控制电力系统
电力系统通常是控制调度中心,收集信息关于系统上所有的发电设施以及输电线路和电力需求,或负载,整个系统。系统上的任何消费权力的变化需要一个瞬时变化的输出连接发电机。因此,调度程序必须预见到每天、每小时、季节和天气的波动需求并提供说明发电设施,以满足不断变化的需求迅速和经济。操作特点和燃料成本的发电设施确定它们的顺序被称为服务。容量和输电线路的特点决定了权力如何,路由到满足负载。操作安排大型工业和商业客户影响电力负荷。天气条件影响供热、制冷和照明的要求。节假日可能会带来增加照明负载。电脑是不可或缺的监测变化的需求,有效地分配权力。
每个系统都必须有储备发电能力,可以迅速激活事件突然停机的生成或传输设备。一些备用容量的形式可能是燃气轮机或抽水蓄能水电站,也可以在需求高峰时使用。抽水蓄能电站使用多余的力量在一天的一部分(例如,夏天晚上,减少空调运行时)向高架水库泵水。之后,当电力需求增加,水是允许通过涡轮机回落下来生成额外的电能。
偶尔需求超过系统的储备。出于这个原因,邻近公用事业公司通过输电线路到互联网络称为电网。这种互连使公用事业交换,在紧急情况下尤为重要,如严重的风暴,当生成和传输设施可能被禁用。系统调度员在互连系统常数与同行的沟通协调购买、销售和交换权力。大停电促使改善此类故障的处理,减少整个电力系统的脆弱性。
不同需求在不同的时间在不同的地区可以让邻国在经济上可取的实用工具来交换权力在非紧急情况下。特拉华州威尔明顿,例如,是一个工业中心,需要在白天最大功率,而附近的大西洋城,新泽西,是度假区的晚上最大的电力需求。通过交换两个地点之间的权力,受益于降低成本和减少额外的发电机组,可能不会充分的利用。
输电和配电系统
发电的电厂改变了更高的电压,对于长距离传输效率更高。传播是通过一个广泛的网络的高压输电线路,包括架空电线和地下和海底电缆。现代输电线路可以携带66000到765000伏特的电压。
输电线路终止在变电站变压器电压降低到主配电电压,通常约为23000伏特。这个电压直接提供大型工业用户或进一步转化为当地分布到2300或4100伏。变电站控制断路器,保护对重载线路切断电流是否达到危险的水平。变电站还允许调度程序开关电源各种分布线,路由到适当的位置。
额外的变形金刚,通常位于权力两极,减少电压到一个安全的水平适合在家庭中使用。大多数在美国住宅用户提供230伏或115伏,这取决于建筑物的布线。
电力在家里
权力被带到家里地上(空中)或地下的(被)通过三个电线。其中两个被绝缘覆盖和携带的权力,而第三,经常裸露,是地线,防止事故的发生。在进入屋子,电线通过电度表。它测量能量消耗,形成帐单电荷的基础。进入国内电线断路器或保险丝盒。这包含一个隔离开关隔离从电源线,主保险丝或断路器,各种电路断路器。在美国230伏选项用于大型电器,115伏特用于照明和小家电。现代房屋配有三线连接每一个出口提供完整的接地保护。住宅的总用电约占三分之一的国家在美国的电力输出。
工业、商业和农业用途
小型电动汽车的引入在1920年代允许工厂两电机到每台机器。之前,所有的机器都从一个中央蒸汽机或大型电动机供电,使得轴的迷宫,滑轮和皮带到每台机器。这导致不经济,嘈杂的,不安全的操作。今天汽车可以在各种各样的大小和速度来满足几乎任何的要求。
许多industries-notably铝和钢铁行业使用大量的电力。需要电力生产铝矿石。大部分的水力发电生产在尼亚加拉大瀑布,例如,美国铝业公司使用。电弧炉在钢铁生产很常见。他们随时提供所需的控制高温产生许多特殊合金。
总在美国工业用电约占国民生产总值的四分之一。商店、企业、银行、电影院、医院、和其他制造业组织约占国民生产总值的三分之一。
起初主要城市电力,分销成本低于在农村地区。小农场特别是一般都没有。到1935年,只有11%的美国农场电力。1935年,农村电气化管理局(REA)开始发放长期贷款建设电力线路和连接农场和公用事业,更重要的是,近1000农村合作社。这些形成特别是分配电能到农村地区,通常购买电力从投资者所有或公有公共设施。今天只有几个孤立的农场依靠自己的发电。
电动机在农场里磨饲料,泵水,挤奶机运行。电力用巴氏法灭菌牛奶,冷藏食品,让新生的牲畜和鸡温暖。电使农民增加他们的生产力就像它帮助行业。
电力的未来
美国能源信息管理局预测,世界电力需求将在2003年和2030年之间的两倍多。满足这个需求肯定会是一个重大国际问题。的混合电力来源取决于许多经济、政治、技术、环境方面的考虑。最大的担忧之一的延续全球变暖,增加在地球表面温度的增加水平的二氧化碳和其他温室气体在大气中。这些气体来自发电厂燃烧化石燃料,如煤炭、石油和天然气。
一种选择是继续使用化石燃料,但捕捉废气地下。这可能是可行的,甚至和气体可以被用来迫使更多的石油出地面。然而,储存的气体可能会大大增加生产电力的成本,和泄漏的可能性是一个问题。
燃烧化石燃料的替代品包括核能和可再生能源,如水力、风力和太阳能发电。核电技术已经成熟,铀(主要核燃料)是相当丰富的,和成本类似于其他常规来源。核电站不排放温室气体,但它们确实会产生潜在的危险的放射性废物。这种浪费的安全存储是一个持久的担忧,作为副产品的可能性的反应堆可以用来制造核武器。核能可以帮助世界的程度满足未来的能源需求将会很大程度上是一个政治决定。
风力发电,windmill-like涡轮发电机,电力生产有巨大的潜力。技术是相当简单,运营成本低。一个障碍是它的大量的高风力涡轮机。
太阳能发电在某些方面有很大潜力。所有阳光到达地面的总功率10000倍当前电力需求。然而,商用太阳能电池,光电,一般不到20%的阳光转换成电能。他们也相对昂贵的制造,使他们不经济相比,传统的电力来源。另一个不太昂贵的太阳能的方法是使用大收集太阳光,凹面反射镜和聚焦在斯特林发动机(一种外部燃烧引擎)连接到发电机。
风能和太阳能都有一个共同的缺点:他们不能依一天24小时提供电力。多变的天气条件影响风和阳光,和太阳能电力设施的额外的缺点晚上不工作。风和阳光也由地理位置差异很大。由于这些原因,其他能源生产需要填补空白。
地热能利用热量来自地下深处为汽轮机烧水,已经在一些地区使用。上升和下降的潮汐和海浪的运动也可以被用来发电。然而,这两个消息人士地理限制。相对较少的地方有足够的现成的地热或足够大的潮汐发电的可行性。
一个潜在的巨大的和长期的能量来源是核聚变,相反的核裂变反应发生在传统的核电站。是氢的同位素氘和氚,融合是最好的燃料。氘可以来源于水,可以由锂和氚,一种常见的金属。存在巨大的技术挑战,包括需要包含电离气体(等离子体)的燃料在温度超过180000000°F (100000000°C)。已经取得了进展,然而,一些研究人员认为这项技术将在几十年内。
与此同时,一些电力需求可以满足在小范围内。单个太阳能单位和燃料电池的化学反应产生的能量转化为电力,可以满足一些需求,多余电力可以卖给utility-a概念称为热电联产。此外,城市垃圾,从垃圾填埋场甲烷气体,或制成的生物燃料作物可以燃烧为小型蒸汽涡轮机。
最后,开发可持续的电力来源可以补充保护。例如,节能供暖和冷却系统,照明和家用电器可以显著降低功耗。
更多的阅读
巴内特,戴夫,Bjornsgaard,柯克。发电:非技术指南(PennWell, 2000)。Cassedy,静电的可持续能源的前景:一个关键的评估(剑桥大学出版社,2005)。古德曼J.E.停电(北点,2003)。Jonnes,吉尔。帝国的光:爱迪生,特斯拉,西屋,使整个世界为之振奋(兰登书屋,2003)。
