1.2.1 电能的生产
发电厂是直接生产电能的部门，由于所用“燃料”的不同，发电厂的种类也不同，例如：利用矿物燃料，如煤、石油等为能源转换为电能的，称为火力发电厂；利用水能转换为电能的，称为水力发电厂；利用核能转换为电能的称为核电厂；利用风能转换为电能的称为风力发电厂。除此之外，还有地热发电厂、太阳能发电厂等。目前，大多数国家的电能主要来自于火电、核电和风电，下面将分别介绍这三类发电厂的生产过程。
1.火力发电
火力发电是利用煤、石油或天然气等燃料的化学能来生产电能的。现代化的火电厂是一个庞大而又复杂的生产电能与热能的工厂。它由下列5个系统组成。
（1）燃料系统 完成燃料输送、储存、制备的系统。燃煤电厂有卸煤设施、煤场、上煤设施、煤仓、给煤机、磨煤机等设备；燃油电厂备有油罐、加热器、油泵、输油管道等设备。
（2）燃烧系统 完成燃料燃烧过程，使燃料化学能转化为蒸汽热能的系统，主要包括燃烧器、炉膛、送风机、引风机、除尘器、除灰设备等。
（3）汽水系统 完成蒸汽热能转化为机械能的系统，主要包括锅炉的汽水部分、汽轮机及其辅助设备，如凝汽器、除氧器、回水加热器、给水泵、循环水泵、冷却设备等。
（4）电气系统 完成机械能转化为电能的系统，主要包括发电机、主变压器、断路器、隔离开关、母线等。
（5）控制系统 完成生产过程中的参数测量及自动化监控操作的系统。
在上述系统的所有设备中，最主要的设备是锅炉、汽轮机和发电机（三大主机），它们安装在发电厂的主厂房内。
主变压器和配电设备一般是安装在独立的建筑物内和户外；其他辅助设备如给水系统、供水设备、水处理设备、除尘设备、燃料储运设备等，有的安装在主厂房内，有的则安装在辅助建筑中或在露天场地。
图1-12为单体火力发电厂——内蒙古大唐国际托克托发电公司。
图1-12 火力发电厂
电能的基本生产过程是：燃料在锅炉中燃烧，将水加热使其变为蒸汽，蒸汽压力推动汽轮机旋转，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变为电能。电能生产需要经过三次能量转换过程，即
2.核电
核能发电主要是利用重核裂变使核能转变为热能，这一过程是在核反应堆中完成的。因此，核反应堆是核电站的热力来源，它替代了火电厂的蒸汽锅炉。
核电站的建设需要巨大的投入，但运行成本低，使用寿命长，是最经济环保的技术之一。核能发电所造成的污染最少，在建设过程中和燃料处理过程中会排放大量二氧化碳，在电能生产过程中则不会。
一个完整的核电系统由核反应堆、增压器、反应堆冷却剂泵、蒸汽发生器、汽轮机和发电机、电网、用户和海水冷却系统组成，如图1-13所示。
图1-13 核电站
1—核反应堆 2—增压器 3—反应堆冷却剂泵 4—蒸汽发生器 5—汽轮机和发电机 6—电网 7—用户
核反应堆是一个装有燃料棒的密闭容器，当中子撞到铀原子，铀原子进行一系列分裂，释放出两个或三个以上的中子，在这个过程中，原子中的核能量转化为热能。碰撞分裂产生的中子又会撞到其他铀原子，重复之前的过程，由此产生的连锁反应释放出巨大的热量。
核电站有管道内和管道外两套循环系统，管道内的水流过反应堆被连锁反应释放出的热量加热到300°C，这些水用于加热。为了防止管道中的水因沸腾变成水蒸气，增压器将压力增大到155at（1at=98.066kPa）。这些高压热水由反应堆冷却剂泵推送到蒸汽发生器，再经过数以千计的循环管道流回反应堆。另有一部分水从蒸汽发生器里的循环管道外面流过，它们的压力要低得多，由装有高压热水管道传输过来的热量将这些水加热为蒸汽。蒸汽经过一系列汽轮机组，推动它们旋转，从而将热能转化为机械能。汽轮机与发电机通过轴承连接，将机械能转化为电能。变压器将发电机产生的电能变成高压电，然后经电网传输给用户。
蒸汽经过汽轮机后，进入冷却系统，这个系统里面布满管道，管道中装有从大海中抽取的海水，蒸汽经冷却变回液态，回到蒸汽发生器，然后可以进行再次加热，变成蒸汽，带动汽轮机旋转。
由于冷区系统需要大量的冷水，核电站一般建在海边或河边。图1-14为位于广东的大亚湾核电站。
图1-14 广东大亚湾核电站
3.风电
早在3000多年前，人类就已经开始使用风力研磨谷物和从地下抽水，利用风力进行海上航行可以追溯到更早的时间，但使用风车发电是近几百年的事。世界上第一台风机由苏格兰科学家雅各·布莱斯于1887年组装完成。由于风机结构复杂，电力输出不稳定，并网困难，而且电能难以储存，在很长一段时间内，风力发电只用于局部供电。20世纪90年代之后，随着能源危机的加剧和环境保护的需要，很多国家，尤其是欧洲和北美加大了对风能研发技术的投入，风力发电得到了较快的发展。截至2016年底，全球风力发电装机总量已达到486790MW，比上一年增长12.5%。图1-15所示为位于苏格兰北海的海上浮式风电场。在我国，风力发电虽然最近几年有了较大发展，但在电力结构中所占的比例仍然非常低。
图1-15 苏格兰海上浮式风电场
如图1-16所示，一个垂直型风机通常由塔架、叶片、转子、传动轴、发电机、控制器和一些辅助设备组成。塔架起到固定风机的作用，风力带动叶片旋转，叶片通过转子和低速转轴与发电机连接，完成从机械能到电能的转换，控制器针对不同风速，对发电机实施不同控制策略，保持输出电能的平稳性。