Як здійснюється виробництво (генерація) електричної енергії? Виробництво та використання електричної енергії Коротко

До категорії: Електромонтажні роботи

Виробництво електричної енергії

Електрична енергія (електроенергія) є найбільш досконалим видом енергії та використовується у всіх сферах та галузях матеріального виробництва. До її переваг відносять - можливість передачі на великі відстані та перетворення на інші види енергії (механічну, теплову, хімічну, світлову та ін).

Електрична енергія виробляється на спеціальних підприємствах - електричних станціях, що перетворюють на електричну інші види енергії: хімічну, палива, енергію води, вітру, сонця, атомну.

Можливість передачі електроенергії на великі відстані дозволяє будувати електростанції поблизу місць знаходження палива або багатоводних річках, що є більш економічним, ніж підвезення у великих кількостях палива до електростанцій, розташованих поблизу споживачів електроенергії.

Залежно від виду енергії, що використовується, розрізняють електростанції теплові, гідравлічні, атомні. Електростанції, що використовують енергію вітру та теплоту сонячних променів, являють собою поки що малопотужні джерела електроенергії, що не мають промислового значення.

На теплових електростанціях використовується теплова енергія, що отримується при спалюванні в топках котлів твердого палива (вугілля, торф, горючі сланці), рідкого (мазут) та газоподібного (природний газ, а на металургійних заводах – доменний та коксовий газ).

Теплова енергія перетворюється на механічну енергію обертанням турбіни, яка у генераторі, з'єднаному з турбіною, перетворюється на електричну. Генератор стає джерелом електроенергії. Теплові електростанціїрозрізняють на вигляд первинного двигуна: парова турбіна, парова машина, двигун внутрішнього згоряння, локомобіль, газова турбіна. Крім того, паротурбінні електростанції поділяють на конденсаційні та теплофікаційні. Конденсаційні станції постачають споживачів лише електричною енергією. Відпрацьована пара проходить цикл охолодження і, перетворюючись на конденсат, знову подається в котел.

Постачання споживачів теплової та електричної енергії здійснюється теплофікаційними станціями, званими теплоелектроцентралями (ТЕЦ). На цих станціях теплова енергія лише частково перетворюється на електричну, а переважно витрачається на постачання промислових підприємствта інших споживачів, розташованих у безпосередній близькості від електростанцій, парою та гарячою водою.

Гідроелектростанції (ГЕС) споруджують на річках, що є невичерпним джерелом енергії для електростанцій. Вони течуть з пагорбів у низини і, отже, здатні виконувати механічну роботу. на гірських річкахспоруджують ГЕС, використовуючи природний тиск води. На рівнинних річках натиск створюється штучно спорудженням гребель, внаслідок різниці рівнів води по обидва боки греблі. Первинними двигунами на ГЕС є гідротурбіни, у яких енергія потоку води перетворюється на механічну енергію.

Вода обертає робоче колесо гідротурбіни і генератор, при цьому механічна енергія гідротурбіни перетворюється на електричну, що виробляється генератором. Спорудження ГЕС вирішує окрім завдання вироблення електроенергії також комплекс інших завдань народногосподарського значення – покращення судноплавства річок, зрошення та обводнення посушливих земель, покращення водопостачання міст та промислових підприємств.

Атомні електростанції(АЕС) відносять до теплових паротурбінних станцій, що працюють не на органічному паливі, а використовують як джерело енергії теплоту, одержувану в процесі поділу ядер атомів ядерного палива (пального), - урану або плутонію. На АЕС роль котельних агрегатів виконують атомні реактори та парогенератори.

Електропостачання споживачів здійснюється переважно від електричних мереж, що об'єднують низку електростанцій. Паралельна робота електричних станцій на загальну електричну мережу забезпечує раціональний розподіл навантаження між електростанціями, найбільш економічний виробіток електроенергії, найкраще використаннявстановленої потужності станцій, підвищення надійності електропостачання споживачів та відпустки їм електроенергії з нормальними якісними показниками за частотою та напругою.

Необхідність об'єднання викликана різним навантаженням електростанцій. Попит споживачів на електроенергію різко змінюється як протягом доби, а й у різні часироку. Взимку споживання електроенергії на освітлення зростає. У сільському господарствіелектроенергія у великих кількостях потрібна влітку на польові роботи та зрошення.

Різниця в ступені завантаження станцій особливо відчутна при значному віддаленні районів споживання електроенергії один від одного в напрямку зі сходу на захід, що пояснюється різночасністю настання ранкових і вечірніх максимумів навантаження. Щоб забезпечити надійність електропостачання споживачів та повніше використовувати потужність електростанцій, що працюють у різних режимах, їх об'єднують у енергетичні чи електричні системи за допомогою електричних мереж високої напруги.

Сукупність електростанцій, ліній електропередачі та теплових мереж, а також приймачів електро- та теплоенергії, пов'язаних в одне ціле спільністю режиму та безперервністю процесу виробництва та споживання електричної та теплової енергії, називають енергетичною системою (енергосистемою). Електрична система, що складається з підстанцій та ліній електропередач різних напруг, - частина енергосистеми.

Енергосистеми окремих районів у свою чергу з'єднані між собою для паралельної роботи та утворюють великі системи, наприклад, єдина енергетична система (ЄЕС) європейської частини СРСР, об'єднані системи Сибіру, ​​Казахстану, Середньої Азії та ін.

Теплоелектроцентрали і заводські електростанції зазвичай пов'язані з електромережею найближчої енергосистеми лініями генераторної напруги 6 і 10 кВ або лініям вищої напруги (35 кВ і вище) через трансформаторні підстанції. Передача енергії, виробленої потужними районними електростанціями, в мережу для постачання споживачів здійснюється по лініях високої напруги (110 кВ і вище).

по фізиці

на тему «Виробництво, передача та використання електроенергії»

учениці 11класу А

МОУ школи №85

Катерини.

План реферату

Вступ.

1. Виробництво електроенергії.

1. типи електростанцій.

2. альтернативні джерела енергії.

2. Передача електроенергії.

трансформатори.

3. Використання електроенергії.

Вступ.

Народження енергетики відбулося кілька мільйонів років тому, коли люди навчилися використовувати вогонь. Вогонь давав їм тепло і світло, був джерелом натхнення та оптимізму, зброєю проти ворогів та диких звірів, лікувальним засобом, помічником у землеробстві, консервантом продуктів, технологічним засобом тощо.

Прекрасний міф про Прометея, що дарував людям вогонь, з'явився в Стародавню Греціюзначно пізніше того, як у багатьох частинах світу були освоєні методи досить витонченого поводження зогнем, його отриманням і гасінням, збереженням вогню та раціональним використанням палива.

Протягом багатьох років вогонь підтримувався шляхом спалювання рослинних енергоносіїв (деревини, чагарників, очерету, трави, сухих водоростей і т.п.), а потім була виявлена ​​можливість використовувати для підтримки вогню викопні речовини: кам'яневугілля, нафта, сланці, торф.

На сьогоднішній день енергія залишається головною складовою життя людини. Вона дає можливість створювати різні матеріали, є одним з головних факторів прирозробці нових технологій. Простіше кажучи, без освоєння різних видів енергії людина не здатна повноцінно існувати.

Виробництво електроенергії.

Типи електростанцій.

Теплова електростанція (ТЕС), електростанція, що виробляє електричну енергію в результаті перетворення теплової енергії, що виділяється при спалюванні органічного палива. Перші ТЕС з'явилися наприкінці 19 століття і набули переважне поширення. У середині 70-х років 20 століття ТЕС - основний вид електричної станції.

На теплових електростанціях хімічна енергія палива перетворюється спочатку в механічну, а потім в електричну. Паливом для такої електростанції можуть бути вугілля, торф, газ, горючі сланці, мазут.

Теплові електричні станції поділяють на конденсаційні(КЕС), призначені для вироблення тільки електричної енергії, та теплоелектроцентралі(ТЕЦ), що виробляють крім електричної теплову енергіюу вигляді гарячої водиіпара. Великі КЕС районного значенняотримали назву державних районних електростанцій (ДРЕС).

Найпростіша принципова схема КЕС, що працює на вугіллі, представлена ​​на малюнку. Вугілля подається в паливний бункер 1, а з нього - в дробильну установку 2, де перетворюється на пил. Вугільний пил надходить у топку парогенератора (парового котла) 3, що має систему трубок, в яких циркулює хімічно очищена вода, звана поживною. У котлі вода нагрівається, випаровується, насичена пара, що утворилася, доводиться до температури 400-650 °С і під тиском 3-24 МПа надходить по паропроводу в парову турбіну 4. Параметри пари залежать від потужності агрегатів.

Теплові конденсаційні електростанції мають невисокий ккд (30 - 40%), так як більша частина енергії втрачається з топочними газами, що відходять, і охолоджувальною водою конденсатора. Споруджувати КЕС вигідно в безпосередній близькості від місць видобутку палива. При цьому споживачі електроенергії можуть перебувати на значній відстані від станції.

Теплоелектроцентральвідрізняється від конденсаційної станції встановленої на ній спеціальнойплофікаційною турбіною з відбором пари. На ТЕЦ одна частина пари повністю використовується в турбіні для вироблення електроенергії в генераторі 5 і потім надходить в конденсатор 6, а інша, що має велику температуру і тиск, відбирається від проміжного ступеня турбіни і використовується для теплопостачання. Конденсат насосом 7 через деаератор 8 і далі 9 подається в парогенератор. Кількість пари, що відбирається, залежить від потреби підприємств в тепловій енергії.

Коефіцієнт корисної дії ТЕЦ досягає 60-70%. Такі станції будують зазвичай поблизу споживачів-промислових підприємств чи житлових масивів. Найчастіше вони працюють на привізному паливі.

Значно меншого поширення набули теплові станціїз газотурбінними(ГТЕС), парогазовими(ПГЕС) та дизельними установками.

У камері згоряння ГТЕС спалюють газ або рідке паливо; продукти згоряння з температурою 750-900 ºС надходять у газову турбіну, що обертає електрогенератор. ККД таких ТЕС зазвичай становить 26-28%, потужність - до кількох сотень МВт . ГТЕС зазвичай застосовуються покриття пікоелектричного навантаження. Ккд ПГЕС може сягати 42 - 43%.

Найбільш економічними є великі теплові паротурбінні електростанції (скорочено ТЕС). Більшість ТЕС нашої країни використовують як паливо вугільний пил. Для вироблення 1кВт-год електроенергії витрачається кілька сотень грамів вугілля. У паровому котлі понад 90% енергії, що виділяється паливом, передається пару. У турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору. Вал турбіни жорстко з'єднаний із валомгенератора.

Сучасні парові турбіни для ТЕС - дуже досконалі, швидкохідні, високоекономічні машини з великим ресурсом роботи. Їх потужність в оновлювальному виконанні досягає 1 млн. 200 тис. кВт, і це не є межею. Такі машини завжди бувають багатоступінчастими, тобто мають зазвичай кілька десятків дисків з робочими лопатками і таку ж кількість, перед кожним диском, груп сопел, через які протікає струмінь пари. Тиск і температура пари поступово знижуються.

З курсу фізики відомо, що ККД теплових двигунів збільшується зі зростанням початкової температури робочого тіла. Тому пар, що надходить в турбіну, доводять до високих параметрів: температуру - майже до 550 °С і тиск - до 25 МПа. Коефіцієнт корисної дії ТЕС досягає 40%. Більшість енергії втрачається разом із гарячим відпрацьованим парою.

Гідроелектрична станція (ГЕС), комплекс споруд та обладнання, за допомогою яких енергія потоку води перетворюється на електричну енергію. ГЕС складається з послідовного ланцюга гідротехнічних споруд,що забезпечують необхідну концентрацію потоку води і створення напору, і енергетичного обладнання, що перетворює енергію води, що рухається під напором води в механічну енергію обертання, яка, у свою чергу, перетворюється в електричну енергію.

НапорГЕС створюється концентрацією падіння річки на ділянці, що використовується греблею, або деривацією,або греблею і деривацією разом. Основне енергетичне обладнання ГЕС розміщується у будівлі ГЕС: у машинному заліелектростанції - гідроагрегати,допоміжне обладнання, пристрої автоматичного керування та контролю; у центральному посту управління-пультоператора-диспетчера або автооператор гідроелектростанції.Підвищуюча трансформаторна підстанціярозміщується як усередині будівлі ГЕС, і у окремих будинках чи відкритих площадках. Розподільні пристроїнайчастіше розташовуються на відкритому майданчику. Будівля ГЕС може бути розділена на секції з одним або декількома агрегатами та допоміжним обладнанням, відокремлені від суміжних частин будівлі. При будівлі ГЕС або внутрішнього створюється монтажний майданчик для складання та ремонту різного обладнання та для допоміжних операцій з обслуговування ГЕС.

Повстановленої потужності (у МВт)розрізняють ГЕС потужні(св. 250), середні(до 25) та малі(до 5). Потужність ГЕС залежить від напору (різниці рівнів верхнього та нижнього б'єфу) ), витрати води, що використовується в гідротурбінах, і ккд гідроагрегату. З ряду причин (внаслідок, наприклад, сезонних змін рівня води у водоймах, непостійності навантаження енергосистеми, ремонту гідроагрегатів або гідротехнічних споруді т. п.) натиск і витрата води безперервно змінюються, а, крім того, змінюється витрата при регулюванні потужності ГЕС. Розрізняють річний, тижневий та добовий цикли режиму роботи ГЕС.

По максимально використовуваному тиску ГЕС діляться на високонапірні(більше 60 м), середньонапірні(від 25 до 60 м)і низьконапірні(від 3 до 25 м).На рівнинних річках натиски рідко перевищують 100 м,у гірських умовах за допомогою греблі можна створювати напори до 300 мі більше, а за допомогою деривації - до 1500 м.Підрозділ ГЕС за напором, що використовується, має приблизний, умовний характер.

За схемою використання водних ресурсів і концентрації напорів ГЕС зазвичай поділяють на руслові, прищільні, дериваційні снапірною та безнапірною деривацією, змішані, гідроакумулюючіі приливні.

В руслових і приплотинних ГЕС напір води створюється греблею, що перегороджує річку і піднімає рівень води у верхньому б'єфі. При цьому неминуче деяке затоплення долини річки. Руслові і приплотиннис ГЕС будують і на рівнинних багатоводних річках і на гірських річках, у вузьких стиснутих долинах. Для руслових ГЕСхарактерні натиски до 30-40 м.

При високих напорах виявляється недоцільним передавати на будинок ГЕС гідростатичний тиск води. У цьому випадку застосовується тип греблеюГЕС, у якої напірний фронт на всьому протязі перекривається греблею, видання ГЕС розташовується за греблею, примикає до нижнього б'єфу.

Іншийвид компонування прищільнаГЕС відповідає гірським умовам щодо малих витрат річки.

У дериваційнихГЕС концентрація падіння річки створюється за допомогою деривації; вода на початку використовуваної ділянки річки відводиться з річкового русловодника, з ухилом, значно меншим, ніж середній ухил річки на цій ділянці і з випрямленням вигинів і поворотів русла. Кінець деривації підводять до місця розташування будівлі ГЕС. Відпрацьована вода або повертається в річку, або підводиться до наступної дериваційної ГЕС. Деривація вигідна тоді, коли ухил річки великий.

Особливе місце серед ГЕС займають гідроакумулюючі електростанції(ГАЕС) та приливні електростанції(ПЕМ). Спорудження ГАЕС обумовлено зростанням потреби в пікової потужності у великих енергетичних системах, що і визначає генераторну потужність, потрібну для покриття пікових навантажень. Здатність ГАЕС акумулювати енергію заснована на тому, що вільна в енергосистемі в деякий період часу електрична енергія використовується агрегатами ГАЕС, які, працюючи в режимі насоса, нагнітають воду з водосховища у верхній басейн, що акумулює. У період піків навантаження акумульована енергія повертається в енергосистему (вода з верхнього басейну надходить у напірний трубопровід і обертає гідроагрегати, що працюють в режимі генератора струму).

ПЕМ перетворять енергію морських припливів в електричну. Електроенергія приливних ГЕС через деякі особливості, пов'язані з періодичним характером припливів відливів, може бути використана в енергосистемах лише спільно з енергією регулюючих електростанцій, які заповнюють провали потужності приливних електростанцій протягом доби або місяців.

Найважливішаособливість гідроенергетичних ресурсів порівняно стіпково-енергетичними ресурсами - їх безперервна відновлюваність. Відсутність потреби в паливі для ГЕС визначає низьку собівартість електроенергії, що виробляється на ГЕС. Тому спорудженню ГЕС, незважаючи на значні, питомі капіталовкладення на 1 кВтвстановленої потужності та тривалі терміни будівництва, надавалося і надається велике значення, особливо коли це пов'язано з розміщенням електроємних виробництв.

Атомна електростанція (АЕС), електростанція, в якій атомна (ядерна) енергія перетворюється на електричну. Генератором енергії на АЕС є атомний реактор. Тепло, яке виділяється в реакторі в результаті ланцюгової реакції поділу ядер деяких важких елементів, потім так само, як і на звичайних теплових електростанціях (ТЕС), перетворюється в електроенергію. На відміну від ТЕС, що працюють на органічному паливі, АЕС працює на ядерному паливі(в основі 233U, 235U, 239Pu). Встановлено, що світові енергетичні ресурси ядерного пального (уран, плутоній та ін) істотно перевищують енергоресурси природних запасів органічного, палива (нафта, вугілля, природний газ та ін.). Це відкриває широкі перспективи задоволення швидко зростаючих потреб у паливі. Крім того, необхідно враховувати все більший обсяг споживання вугілля і нафти для технологічних цілей світової хімічної промисловості, яка стає серйозним конкурентом теплових електростанцій. Незважаючи на відкриття ієнових родовищ органічного палива та вдосконалення способів його видобутку, у світі спостерігається тенденція до відносного, збільшення його вартості. Це створює найважчі умови для країн, що мають обмежені запаси палива органічного походження. Очевидна необхідність якнайшвидшого розвитку атомної енергетики, яка вже займає помітне місце в енергетичному балансі ряду промислових країнсвіту.

Принципова схема АЕС з ядерним реактором, що має водяне охолодження, наведено на рис. 2.Тепло, що виділяється в активній зоніреактора теплоносієм,вбирається водою 1-го контуру, яка прокачується через реактор циркуляційним насосом. Нагріта вода з реактора надходить у теплообмінник (парогенератор) 3, де передає тепло, отримане у реакторі воді 2-го контуру. Вода 2-го контуру випаровується в парогенераторі, і утворюється пара, яка потім надходить у турбіну 4.

Найчастіше на АЕС застосовують 4 типи реакторів на теплових нейтронах:

1)водо-водяні із звичайною водою як сповільнювач і теплоносій;

2) графітоводні з водяним теплоносієм та графітовим сповільнювачем;

3) важководні з водяним теплоносієм і важкою водою як сповільнювач;

4) граффіто - газові з газовим теплоносієм та графітовим сповільнювачем.

Вибір переважно застосовуваного типу реактора визначається головним чином накопиченим досвідом в реактороносії, а також наявністю необхідного промислового обладнання, сировинних запасів і т.д.

Креактору і його системам відносяться: власне реактор з біологічним захистом , теплообмінники, насоси або газодувні установки, що здійснюють циркуляцію теплоносія, трубопроводи та арматура циркуляції контуру, пристрої для перезавантаження ядерного пального, системи спеціальної вентиляції, аварійного розхолодження та ін.

Для запобігання персоналу АЕС від радіаційного опромінення реактор оточують біологічним захистом, основним матеріалом для якого служать бетон, вода, серпантиновий пісок. Обладнання реакторного контуру має бути повністю герметичним. Передбачається система контролю місць можливого витоку теплоносія, вживають заходів, щоб поява не щільностей та розривів контуране призводила до радіоактивних викидів та забруднення приміщень АЕС та навколишньої місцевості. Радіоактивне повітря і невелика кількість парів теплоносія, обумовлене наявністю протікання з контуру, видаляють з приміщень АЕС, що не обслуговуються. спеціальною системоювентиляції, в якій для виключення можливості забруднення атмосфери передбачені очисні фільтри та газгольдери витримки. За виконанням правил радіаційної безпеки персоналом АЕС слідкує служба дозиметричного контролю.

Наявність біологічного захисту, систем спеціальної вентиляції та аварійного розхолодження та служби дозиметричного контролю дозволяє повністю убезпечити обслуговуючий персонал АЕС від шкідливих впливів радіоактивного опромінення.

АЕС, що є найбільш сучасним видом електростанцій, мають ряд істотних переваг перед іншими видами електростанцій: за нормальних умов функціонування вони абсолютно не забруднюють навколишнє середовище, не вимагають прив'язки до джерела сировини і можуть бути розміщені практично скрізь. Нові енергоблоки мають потужність практично рівну потужності середньої ГЕС, однак коефіцієнт використання встановленої потужності на АЕС (80%) значно перевищує цей показник у ГЕС або ТЕС.

Значних недоліків АЕС при нормальних умовах функціонування практично не мають. Проте не можна не помітити небезпеку АЕС при можливих форс-мажорних обставинах: землетрусах, ураганах, і т.п.

Альтернативні джерела енергії.

Енергія сонця.

Останнім часом інтерес до проблеми використання сонячної енергії різко зріс, адже потенційні можливості енергетики, заснованої на використання безпосереднього сонячного випромінювання, надзвичайно великі.

Найпростіший колектор сонячного випромінювання являє собою зачорнений металевий (як правило, алюмінієвий) лист, усередині якого розташовуються труби рідиною, що сциркулює в ній. Нагріта за рахунок сонячної енергії, поглиненої колектором, рідина надходить безпосередньо для використання.

Сонячна енергетика відноситься до найбільш матеріаломістких видів виробництва енергії. Великомасштабне використання сонячної енергії тягне у себе гігантське збільшення потреби у матеріалах, отже, й у трудових ресурсах для видобутку сировини, його збагачення, отримання матеріалів, виготовлення геліостатів, колекторів, інший апаратури, їх перевезення.

Поки електрична енергія, народжена сонячними променями, обходиться набагато дорожче, ніж отримувана традиційними способами. Вчені сподіваються, що експерименти, які вони проведуть на досвідчених установках і станціях, допоможуть вирішити не лише технічні, а й економічні проблеми.

Вітрова енергія.

Величезна енергія рухомих повітряних мас. Запаси енергії вітру більш ніж сто перевищують запаси гідроенергії всіх річок планети. Постійно і всюди земледують вітри. Кліматичні умови дозволяють розвивати вітроенергетику на величезній території.

Нові дні двигуни, що використовують вітер, покривають всього одну тисячну світових потреб в енергії. Тому до створення конструкцій вітроколеса-серця будь-якої вітроенергетичної установки залучаються фахівці-лімобудівники, які вміють вибрати найбільш доцільний профіль лопасті, досліджувати його в аеродинамічній трубі. Зусиллями вчених та інженерів створені самі різноманітні конструкціїсучасні вітрові установки.

Енергія Землі.

Здавна люди знають про стихійні прояви гігантської енергії, що таїться в надрах земної кулі. Пам'ять людства зберігає перекази про катастрофічні виверження вулканів, які забрали мільйони людських життів, невпізнанно змінили вигляд багатьох місць Землі. Потужність виверження навіть порівняно невеликого вулкана колосальна, вона багаторазово перевищує потужність найбільших енергетичних установок, створених руками людини. Щоправда, про безпосереднє використання енергії вулканічних вивержень говорити не доводиться, немає поки що людей можливостей приборкати цю непокірну стихію.

Енергія Землі придатна не тільки для опалення приміщень, як це відбувається в Ісландії, але і для отримання електроенергії. Вже давно працюють електростанції, які використовують гарячі підземні джерела. Перша така електростанція, зовсім ще малопотужна, була побудована в 1904 році в невеликому італійському містечку Лардерелло. Поступово потужність електростанції зростала, до ладу вступали нові агрегати, використовувалися нові джерела гарячої води, й у наші дні потужність станції досягла вже великої величини-360 тисяч кіловат.

Передача електроенергії.

Трансформатори.

Ви придбали холодильник ЗІЛ. Продавець вас попередив, що холодильник розрахований на напругу в мережі 220 В. А у вас у будинку мережна напруга 127 В. Безвихідь? Анітрохи. Просто доведеться зробити додаткову витрату та придбати трансформатор.

Трансформатор- дуже простий пристрій, який дозволяє як підвищувати, так і знижувати напругу. Перетворення змінного струму здійснюється за допомогою трансформаторів. Вперше трансформатори були використані в 1878 р. російським вченим П. Н. Яблочковим для харчування винайдених ним «електричних свічок» -нового на той час джерела світла. Ідея П. Н. Яблочкова була розвинена співробітником Московського університету І. Ф. Усагіним, сконструювавши вдосконалені трансформатори.

Трансформатор складається з замкнутого залізного сердечника, на який надіті дві (іноді і більше) котушки з дротяними обмотками (рис. 1). Одна з обмоток, що називається первинною, підключається до джерела змінної напруги. Друга обмотка, до якої приєднують «навантаження», тобто прилади та пристрої, що споживають електроенергію, називається вторинною.

Рис.1 Рис.2

Схема пристрою трансформатора з двома обмотками наведена на малюнку 2, а прийняте для нього умовне позначення - на рис. 3.

Дія трансформатора ґрунтується на явищі електромагнітної індукції. При проходженні змінного струму по первинній обмотці в залізному осерді з'являється змінний магнітний потік, який збуджує ЕРС індукції в кожній обмотці. Причому миттєве значення ЕРС індукції евбудь-якому витку первинної або вторинної обмотки згідно із законом Фарадея визначається формулою:

е = -Δ Ф/Δ t

Якщо Ф= Ф0соsωt,то

е = ω Ф0sinω t, або

е =Esinω t,

де E=ω Ф0 - амплітуда ЕРС в одному витку.

У первинній обмотці, що має п1витків, повна ЕРС індукції e1 дорівнює п1е.

У вторинній обмотці повна ЕРС. е2дорівнює п2е,де п2- Число витків цієї обмотки.

Звідси слідує що

e1 е2 = п1п2. (1)

Сумананапруги u1 , прикладеного до первинної обмотки, та ЕРС e1 повинна дорівнювати падінню напруги в первинній обмотці:

u1 + e1 = i1 R1 , де R1 - активний опір обмотки, а i1 - Сила струму в ній. Дане рівняння безпосередньо випливає із загального рівняння. Зазвичай активний опір обмотки мало членом i1 R1 можна знехтувати. Тому

u1 ≈ -e1 . (2)

При розімкнутій вторинній обмотці трансформатора струм у ній не тече, і має місце співвідношення:

u2 ≈ - e2 . (3)

Так як миттєві значення ЕРС e1 і e2 змінюються синфазно, то їх відношення у формулі (1) можна замінити ставленням діючих значень E1 іE2 цих ЕРС або, враховуючи рівність (2) і (3), відношенням діючих значень напруг U 1 та U 2 .

U 1 /U 2 = E1 / E2 = n1 / n2 = k. (4)

Величина kназивається коефіцієнтом трансформації. Якщо k>1, то трансформатор є знижуючим, при k<1 - підвищує.

При замиканні ланцюгової вторинної обмотки в ній тече струм. Тоді співвідношення u2 ≈ - e2 вже не виконується точно, і відповідно зв'язок між U 1 та U 2 стає більш складною, ніж у рівнянні (4).

Відповідно до законозбереження енергії, потужність у первинному ланцюгу повинна дорівнювати потужності вторинного ланцюга:

U 1 I1 = U 2 I2, (5)

де I1 і I2 -Діючі значення сили в первинній та вторинній обмотках.

Звідси слідує що

U 1 /U 2 = I1 / I2 . (6)

Це означає, що, підвищуючи за допомогою трансформатора напругу в кілька разів, миво стільки ж разів зменшуємо силу струму (і навпаки).

Внаслідок неминучих втрат енергії на виділення тепла в обмотках та залізному сердечнику рівняння (5) та (6) виконуються приблизно. Однак у сучасних потужних трансформаторах сумарні втрати не перевищують 2-3%.

У життєвій практиці часто доводиться мати справу з трансформаторами. Крім тих трансформаторів, якими ми користуємося мимоволі через те, що промислові прилади розраховані на одну напругу, а в міській мережі використовується інше, - крім них доводиться мати справу з бобінами автомобіля. Бобіна - це підвищує трансформатор. Для створення іскри, що підпалює робочу суміш, потрібно високонапруження, яке ми і отримуємо від акумулятора автомобіля, попередньо перетворивши постійний струм акумулятора в змінний за допомогою переривника. і навпаки.

Для зварювальних апаратів потрібні понижуючі трансформатори. Для зварювання потрібні дуже сильні струми, і трансформатор зварювального апарату має лише один вихідний виток.

Ви, напевно, звертали увагу, що сердечник трансформатора виготовляють із тонких листків сталі. Це зроблено для того, щоб не втрачати енергії при перетворенні напруги. У листовому матеріалі вихрові струми відіграватимуть меншу роль, ніж суцільно.

Вдома ви маєте справу з маленькими трансформаторами. Що ж до потужних трансформаторів, всі вони представляють собою величезні споруди. У цих випадках сердечник з обмотками поміщений у бак, заповнений охолодною олією.

Передача електроенергії

Споживачі електроенергії є всюди. Виробляється ж вона в порівняно небагатьох місцях, близьких до джерел паливних та гідроресурсів. Тому виникає необхідність передачі електроенергії на відстані, що досягають іноді сотень кілометрів.

Але передача електроенергії на великі відстані пов'язана з помітними втратами. Справа в тому, що, протікаючи лініями електропередачі, струм нагріває їх. Відповідно до закону Джоуля - Ленца, енергія, що витрачається на нагрівання проводів лінії, визначається формулою

де R – опір лінії. При великій довжині лінії передача енергії може стати взагалі економічно невигідною. Для зменшення потерьможно, звичайно, йти шляхом зменшення опору Rлінії за допомогою збільшення площі поперечного перерізу проводів. Але для зменшення R, наприклад, у 100 разів потрібно збільшити масу дроту також у 100 разів. Зрозуміло, що не можна допустити такого великого витрачання дорогого кольорового металу, не кажучи вже про труднощі закріплення важких проводів на високих щоглах і т. п. Тому втрати енергії в лінії знижують іншим шляхом: зменшенням струму в лінії. Наприклад, зменшення струму в 10 разів зменшує кількість тепла, що виділилося в провідниках, в 100 разів, тобто досягається той же ефект, що і від стократного обтяження проводу.

Так як потужність струму пропорційна добутку сили струму на напругу, то для збереження потужності, що передається, потрібно підвищити напругу в лінії передачі. Причому, чим довша лінія передачі, тим вигідніше використовувати вищу напругу. Так, наприклад, у високовольтній лінії передачі Волзька ГЕС – Москва використовують напругу в 500 кв. Тим часом генератори змінного струму будують напруги, що не перевищують 16-20 кв., Оскільки більш висока напруга потребувала б вживання більш складних спеціальних заходів для ізоляції обмоток і інших частин генераторів.

Тому на великих електростанціях ставлять підвищують трансформатори. Трансформатор збільшує напругу в лінії в стільки ж разів, скільки зменшує силу струму. Втрата потужності при цьому невеликі.

Для безпосереднього використання електроенергії в двигунах електроприводу верстатів, освітлювальної мережі та інших цілей напруга на кінцях лінії потрібно знизити. Це досягається за допомогою знижувальних трансформаторів. Причому зазвичай зниження напруги і відповідно збільшення сили струму відбувається кілька етапів. На кожному етапі напруга стає дедалі меншою, атериторія, що охоплюється електричною мережею, - все ширша. Схема передачі та розподілу електроенергії наведена на малюнку.

Електричні станції ряду областей країни з'єднані високовольтними лініями передач, утворюючи загальну електромережу, до якої приєднані споживачі. Таке об'єднання називається енергосистемою. Енергосистема забезпечує безперебійність подачі енергії споживачам незалежно від їхнього розташування.

Використання електроенергії.

Використання електроенергетики у різних галузях науки.

ХХ століття стало століттям, коли наука вторгається у всі сфери життя суспільства: економіку, політику, культуру, освіту тощо. Природно, що наука безпосередньо впливає на розвиток енергетики та сферу застосування електроенергії. З одного боку наука сприяє розширенню сфери застосування електричної енергії і тим самим збільшує її споживання, але з іншого боку в епоху, коли необмежене використання невідновлюваних енергетичних ресурсів несе небезпеку для майбутніх поколінь, актуальними завданнями науки стають завдання розробки енергозберігаючих технологій та впровадження їх у життя.

Розглянемо ці питання на конкретних прикладах. Близько 80% приросту ВВП (внутрішнього валового продукту) розвинених країн досягається з допомогою технічних інновацій, основна частина яких пов'язані з використанням електроенергії. Все нове в промисловість, сільське господарство та побут приходить до нас завдяки новим розробкам у різних галузях науки.

Більшість наукових розробок починається з теоретичних розрахунків. Але якщо в ХIХ столітті ці розрахунки проводилися за допомогою пера і паперу, то в століття НТР (науково-технічної революції) всі теоретичні розрахунки, відбір та аналіз наукових даних і навіть лінгвістичний розбір літературних творів робляться за допомогою ЕОМ (електронно-обчислювальних машин), які працюють на електричної енергії, найбільш зручною передачі її на відстань і використання. Але якщо спочатку ЕОМ використовувалися для наукових розрахунків, то тепер з науки комп'ютери прийшли в життя.

Нині вони використовуються у всіх сферах діяльності: для запису та зберігання інформації, створення архівів, підготовки та редагування текстів, виконання креслень і графічних робіт, автоматизації виробництва та сільського господарства. Електронізація та автоматизація виробництва - найважливіші наслідки «другої промислової» або «мікроелектронної» революції в економіці розвинених країн. З мікроелектронікою безпосередньо пов'язане і розвиток комплексної автоматизації, якісно новий етап якої почався після винаходи в 1971 мікропроцесора - мікроелектронного логічного пристрою, що вбудовується в різні пристрої для управління їх роботою.

Мікропроцесори прискорили зростання робототехніки. Більшість застосовуваних нині роботів відноситься до так званого першого покоління, і застосовуються при зварюванні, різанні, пресуванні, нанесенні покриттів і т.д. Роботи другого покоління, що приходять їм на зміну, обладнані пристроями для розпізнавання навколишнього середовища. Ароботи-«інтелектуали» третього покоління будуть «бачити», «відчувати», «чути». Вчені та інженери серед найбільш пріоритетних сфер застосування роботів називають атомну енергетику, освоєння космічного простору, транспорту, торгівлю, складське господарство, медичне обслуговування, переробку відходів, освоєння багатств океанічного дна. Основна частина роботів працюють на електричній енергії, але збільшення споживання електроенергії роботами компенсується зниженням енерговитрат у багатьох енергоємних виробничих процесах за рахунок впровадження більш раціональних методів і нових енергозберігаючих технологічних процесів.

Але повернемося до науки. Усі нові теоретичні розробки після розрахунків на ЕОМ перевіряються експериментально. І, як правило, на цьому етапі дослідження проводяться за допомогою фізичних вимірів, хімічних аналізів тощо. Тут інструменти наукових досліджень різноманітні - численні вимірювальні прилади, прискорювачі, електронні мікроскопи, магніторезонансні томографи і т.д. Основна частина цих інструментів експериментальної науки працюють на електричній енергії.

Дуже бурхливо розвивається наука в галузі засобів зв'язку та комунікацій. Супутниковий зв'язок використовується вже як як засіб міжнародного зв'язку, а й у побуті - супутникові антени не рідкість й у місті. Нові засоби зв'язку, наприклад волоконна техніка, дозволяють значно знизити втрати електроенергії в процесі передачі сигналів на великі відстані.

Не оминула наука і сферу управління. У міру розвитку НТР, розширення виробничої та невиробничої сфер діяльності людини, все більш важливу роль у підвищенні їх ефективності починає відігравати управління. Зі свого роду мистецтва, що ще недавно ґрунтувався на досвіді та інтуїції, управління в нашідні перетворилося на науку. Наука про управління, про загальні закони отримання, зберігання, передачі та переробки інформації називається кібернетикою. Цей термін походить від грецьких слів «кермовий», «кормчий». Він зустрічається у працях давньогрецьких філософів. Однак нове народження його відбулося фактично у 1948 році, після виходу книги американського вченого Норберта Вінера «Кібернетика».

До початку «кібернетичної» революції існувала тільки паперова Інформатика, основним засобом сприйняття якої залишався людський мозок і яка не використовувала електроенергію. «Кібернетична» революція породила принципово іншу - машинну інформатику, що відповідає гігантськи збільшеним потокам інформації, джерелом енергії для якої служить електроенергія. Вона включає АСУ (автоматизовані системи управління), інформаційні банки даних, автоматизовані інформаційні бази, обчислювальні центри, відеотермінали, копіювальні та фототелеграфні апарати, загальнодержавні інформаційні системи, системи супутникового і швидкісного волокнисто-оптичного зв'язку - все це необмежено розширило електроенергію.

Багато вчених вважають, що в даному випадку йдеться про нову «інформаційну» цивілізацію, яка приходить на зміну традиційній організації суспільства індустріального типу. Така спеціалізація характеризується такими важливими ознаками:

· Широким поширенням інформаційної технології в матеріальному та нематеріальному виробництві, в галузі науки, освіти, охорони здоров'я тощо;

· Наявністю широкої мережі різних банків даних, у тому числі громадського користування;

· Перетворення інформації в один з найважливіших факторів економічного, національного та особистого розвитку;

· Вільною циркуляцією інформації в суспільстві.

Такий перехід від індустріального суспільства до «інформаційної цивілізації» став можливим багато в чому завдяки розвитку енергетики та забезпеченню зручним у передачі та застосуванні видом енергії - електричною енергією.

Електроенергія в виробництві.

Сучасне суспільство неможливо уявити без електрифікації виробничої діяльності. Вже наприкінці 80-х років понад 1/3 всього споживання енергії у світі здійснювалося через електричну енергію. На початку наступного століття ця частка може збільшитися до 1/2. Таке зростання споживання електроенергії передусім пов'язані з зростанням її споживання промисловості. Основна частина промислових підприємств працює на електричній енергії. Високе споживання електроенергії характерне для таких енергоємних галузей, як металургія, алюмінієва та машинобудівна промисловість.

Електроенергія в побуті.

Електроенергія в побуті невід'ємний помічник. Щодня ми маємо з нею справу, і, напевно, вже не уявляємо своє життя без неї. Згадайте, коли останній раз вам відключали світло, тобто у ваш будинок не надходила електроенергія, згадайте, як вилаялися, що нічого не встигаєте і вам потрібне світло, вам потрібний телевізор, чайники купа інших електроприладів. Адже якщо нас знеструмити назавжди, то ми просто повернемося в ті давні часи, коли їжу готували на багатті і жили в холодних вігвамах.

Значення електроенергії в нашому житті можна присвятити цілу поему, настільки вона важлива в нашому житті і настільки ми звикли до неї. Хоча ми вже й не помічаємо, що вона надходить до нас у будинки, але коли її відключають, стає дуже не комфортно.

Цінуйте електроенергію!

Список використаної літератури.

1. Підручник С.В.Громова «Фізика, 10 клас». Москва: Просвітництво.

2. Енциклопедичний словник молодого фізика. склад. В.А. Чуянов, Москва: Педагогіка.

3. Елліон Л., Вілконс У ... Фізика. Москва: Наука.

4. КолтунМ. Світ фізики. Москва.

5. Джерела енергії. Факти, проблеми, розв'язання. Москва: Наука та техніка.

6. Нетрадиційні джерела енергії. Москва: Знання.

7. ЮдасинЛ.С… Енергетика: проблеми та надії. Москва: Просвітництво.

8. ПодгорнийА.М. Воднева енергетика. Москва: Наука.

Лекція №3

Основні джерела електроенергії

План лекції

1. Основні виробники електроенергії

2. Види електростанцій

3. Автономні джерела електроенергії

Основні виробники електроенергії

Енергетична система (енергосистема)– сукупність електростанцій, електричних та теплових мереж, з'єднаних між собою та пов'язаних спільністю режиму у безперервному процесі виробництва, перетворення та розподілу електроенергії та теплоти при загальному керуванні цим режимом.

Особливості електроенергетики як галузі зумовлені специфікою її продукту. Електроенергія за своїми властивостями подібна до послуги: час її виробництва збігається з часом споживання. Електроенергетика повинна бути готова до вироблення, передачі та постачання електроенергії в момент появи попиту, у тому числі в піковому обсязі, маючи для цього необхідні резервні потужності та запас палива. Чим більше максимальне (хоча б і короткочасне) значення попиту, тим більше мають бути потужності, щоб забезпечити готовність до надання послуги. (Ситуація зміниться, якщо з'являться ефективні технології зберігання електроенергії. Поки що це в основному акумулятори різних типів, а також гідроакумулюючі станції.)

Неможливість зберігання електроенергії у промислових масштабах зумовлює технологічну єдність всього процесу її виробництва, передачі та споживання. Ймовірно, це єдина галузь у сучасній економіці, де безперервність виробництва продукції має супроводжуватися таким самим безперервним її споживанням. У силу цієї особливості в електроенергетиці існують жорсткі технічні вимоги до кожного етапу технологічного циклу, зокрема за частотою електричного струму та напругою.

Принциповою особливістю електричної енергії як продукту, що відрізняє її від інших видів товарів та послуг, є те, що її споживач може вплинути на стійкість роботи виробника.

Потреби економіки та суспільства на електричної енергії значно залежить від погодних чинників, часу доби, технологічних режимів різних виробничих процесів у галузях-споживачах, особливостей домашніх господарств, навіть від програми телепередач. Відмінності між максимальним і мінімальним рівнями споживання визначає потреба у про резервних потужностях, які включаються лише тоді, коли рівень споживання досягає певного значення.

Структура генерації за видами палива: вугілля – 22%, природний газ – 41%, ГЕС – 16%, АЕС – 12%, нафта (мазут) – 5%, інші – 4%.

Основними виробниками електроенергії є:

Теплові електростанції (ТЕС), де теплова енергія, що утворюється при спалюванні органічного палива (вугілля, газ, мазут, торф, сланці і т.д.), використовується для обертання турбін, що приводять у рух електрогенератор. Можливість одночасного виробництва тепла та електроенергії призвела до поширення у низці країн централізованого теплопостачання на ТЕЦ;

Гідроелектростанції (ГЕС), де в електроенергію перетворюється механічна енергія потоку води за допомогою гідравлічних турбін, що обертають електрогенератори;

Атомні електростанції (АЕС), де електроенергію перетворюється теплова енергія, отримана при ланцюгової ядерної реакції радіоактивних елементів в реакторі.

Теплові електростанції (ТЕС),працюють на органічному паливі (вугілля, мазут, газ, сланці, торф), є сьогодні основним видом використовуваних у Росії енерговиробників.

Вибір місця розміщення теплових електростанцій визначається здебільшого наявністю в даному регіоні природних та паливних ресурсів. Потужні ТЕС будуються, зазвичай, у місцях видобутку паливних ресурсів чи неподалік великих центрів нафтопереробної промисловості. Теплові електростанції, на яких як паливо використовуються місцеві види пального (сланець, торф, низькокалорійні та багатозольні вугілля), намагаються розміщувати відповідно до потреби в електроенергії і, в той же час, з урахуванням наявності тих чи інших видів паливних ресурсів. Електростанції, що працюють на висококалорійному паливі, доставка якого до місця використання економічно доцільна, розміщуються зазвичай з урахуванням споживчого попиту електроенергію.

Гідроелектростанціїявляють собою спеціальні споруди, зведені у місцях перекриття великих річок греблею та використовують енергію падаючої води для обертання турбін електрогенератора. Цей спосіб отримання електроенергії є найбільш екологічним, оскільки обходиться без спалювання тих чи інших видів палива та не залишає жодних шкідливих відходів після себе.

Атомні електростанції(АЕС) відрізняються від теплових лише тим, що, якщо в ТЕС для нагрівання води та одержання пари використовується пальне, то в АЕС джерелом нагрівання води служить енергія тепла, що виділяється в процесі ядерної реакції.

В даний час більшу частину всієї електроенергії, що виробляється у світі, дають теплові електростанції, потужність яких може становити сотні тисяч і мільйони кіловат.

Для спільного та узгодженого виробництва електроенергії електростанції різного типу об'єднують у енергосистеми. Об'єднання електростанцій, а також самих енергосистем дозволяє знизити вартість електроенергії і гарантує безперебійність режиму електропостачання споживача. Пояснюється це тим, що виробництво і витрачання електроенергії відбуваються одночасно, і неможливо акумулювати всю енергію, що виробляється в будь-якому вигляді. Тому електростанції повинні мати певний резерв по робочої потужності, необхідний у тому, щоб бути здатними будь-якої миті задовольнити збільшений попит електроенергію із боку споживача (на зростання навантаження). А величина споживання (попиту енергію) може різко коливатися за зміни режимів і умов споживачів.

У містах у зимовий період, наприклад, споживання електроенергії різко зростає, а влітку – знижується. У сільському господарстві, навпаки, електричні підстанції більше завантажені саме влітку, коли провадяться сезонні польові роботи. Крім того, максимальні навантаження електростанцій, розташованих на сході та заході країни, зазвичай, не збігаються через різницю в часі. При колективній роботі електростанцій вони живлять один одного, що забезпечує їх більш рівномірне завантаження та підвищення ККД роботи.

На електростанціях, що не входять до складу енергосистеми, не допускається застосування потужних вузлів транспортування та перетворення електроенергії. Пояснюється це тим, що вихід подібного вузла з ладу моментально паралізує роботу промислових підприємств, знеструмлює цілі райони та загрожує аварійною зупинкою систем водопостачання тощо.

При об'єднанні енерговиробників в енергосистеми немає підстав відмовлятися від таких потужних агрегатних вузлів, оскільки навантаження ділянки лінії, що вийшла з ладу, миттєво підхоплять системи, що залишилися в робочому стані.

Поряд із традиційним способом отримання електроенергії за допомогою електростанцій все більшої популярності набувають останнім часом альтернативні джерела електроенергії. До подібних джерел можна віднести, наприклад, вітряні електрогенератори, які перетворюють природну силу вітру на електричний струм.

Все більшою популярністю в наш час користуються і сонячні батареї, які, на відміну електрогенератора, використовують принцип прямого перетворення енергії сонячних променів в електричну енергію (фотоефект).

Три основних типи електростанцій визначають види енергоресурсів, що використовуються. Їх прийнято поділяти на первинні та вторинні, відновлювані та невідновлювані.

Первинні енергоносії - це сировинні матеріали в їх природній формі до проведення будь-якої технологічної обробки, наприклад кам'яне вугілля, нафту, природний газ та уранова руда. У розмовній промові ці матеріали називають просто первинною енергією. До такої належать також сонячне випромінювання, вітер, водні ресурси. Вторинна енергія – це продукт переробки, «обладнання» первинної, наприклад, бензин, мазут, ядерне паливо.

Деякі види ресурсів можуть відносно швидко відновлюватись у природі, вони називаються відновлюваними: дрова, очерет, торф та інші види біопалива, гідропотенціал річок. Ресурси, які не мають такої якості, називаються невідновлюваними: вугілля, сира нафта, природний газ, нафтоносний сланець, уранова руда. Здебільшого вони є корисними копалинами. Енергія сонця, вітру, морських припливів відноситься до невичерпних поновлюваних енергетичних ресурсів.

В даний час найбільш поширеним видом технологічного палива у світовій електроенергетиці є вугілля. Це пояснюється відносною дешевизною та широкою поширеністю запасів даного виду палива. Проте транспортування вугілля на значні відстані веде до великих витрат, що у часто робить його використання нерентабельним. При виробництві енергії з використанням вугілля високий рівень викиду в атмосферу забруднюючих речовин, що завдає істотної шкоди навколишньому середовищу. В останні десятиліття ХХ ст. з'явилися технології, що дозволяють використовувати вугілля для виробництва електроенергії з більшою ефективністю та меншою шкодою для навколишнього середовища.

Розширення використання газу у світовій електроенергетиці за останні роки пояснюється суттєвим зростанням його видобутку, появою високоефективних технологій виробництва електроенергії, заснованих на застосуванні даного виду палива, а також посиленням політики охорони навколишнього середовища.

Все більшого поширення набуває використання урану. Це паливо має колосальну ефективність у порівнянні з іншими сировинними джерелами енергії. Однак, застосування радіоактивних речовин пов'язане з ризиком масштабного забруднення навколишнього середовища у разі аварії. Крім того, зведення АЕС та утилізація відпрацьованого палива надзвичайно капіталомісткі. Розвиток цього виду енергетики ускладнюється і тим, що поки що деякі країни можуть забезпечити підготовку наукових та технічних фахівців, здатних розробити технології та забезпечити кваліфіковану експлуатацію АЕС.

Велике значення у структурі джерел електроенергії зберігають гідроресурси, хоча їхня частка за останні десятиліття дещо скоротилася. Переваги цього джерела у його відновлюваності та відносній дешевизні. Але зведення гідростанцій надає незворотний вплив на навколишнє середовище, оскільки зазвичай вимагає затоплення значних територій під час створення водоймищ. Крім того, нерівномірність розподілу водних ресурсів на планеті та залежність від кліматичних умов обмежують їхній гідроенергетичний потенціал.

Істотне скорочення використання нафти і нафтопродуктів для виробництва електроенергії за останні тридцять років пояснюються як зростанням вартості даного виду палива, високою ефективністю його застосування в інших галузях, так і дорожнечею його транспортування на значні відстані, а також вимогами до екологічної безпеки.

Зростає увага до відновлюваних джерел енергії. Зокрема, активно розробляються технології використання енергії сонця та вітру, потенціал яких величезний. Щоправда, нині використання сонячної енергії у промислових масштабах здебільшого виявляється менш ефективним проти традиційними видами ресурсів. Що стосується енергії вітру, у розвинених країнах (насамперед під впливом екологічних рухів) її застосування в електроенергетиці значно побільшало. Не можна не згадати також геотермальну енергію, яка може мати серйозне значення для деяких держав або окремих регіонів (Ісландії, Нової Зеландії, Росії – для Камчатки, Ставропольського та Краснодарського країв, Калінінградської області). Розвиток виробництва електроенергії на основі відновлюваних ресурсів поки що потребує державних дотацій.

Наприкінці XX – на початку XXI ст. різко підвищився інтерес до біоенергетичних ресурсів. В окремих країнах (наприклад, у Бразилії) виробництво електроенергії на біопаливі склало помітну частку в енергетичному балансі. У США було прийнято спеціальну програму субсидування біопалива. Але є й сумніви у перспективах цього напряму електроенергетики. Вони стосуються насамперед ефективності використання таких природних ресурсів, як земля та вода; так, відведення великих площ орної землі під виробництво біопалива зробив свій внесок у подвоєння цін на продовольче зерно.

« Фізика – 11 клас»

Виробництво електроенергії

Виробляється електроенергія на електричних станціях переважно за допомогою електромеханічних індукційних генераторів.
Існує два основних типи електростанцій: теплові та гідроелектричні.
Розрізняються ці електростанції двигунами, що обертають ротори генераторів.

На теплових електростанціях джерелом енергії є паливо: вугілля, газ, нафту, мазут, горючі сланці.
Ротори електричних генераторів наводяться в обертання паровими та газовими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння.

Теплові паротурбінні електростанції - ТЕСнайекономічніші.

У паровому котлі понад 90% енергії, що виділяється паливом, передається пару.
У турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору.
Вал турбіни жорстко з'єднаний із валом генератора.
Парові турбогенератори дуже швидкохідні: кількість обертів ротора становить кілька тисяч за хвилину.

ККД теплових двигунів збільшується з підвищенням початкової температури робочого тіла (пара, газу).
Тому пар, що надходить в турбіну, доводять до високих параметрів: температуру - майже до 550 °С і тиск - до 25 МПа.
Коефіцієнт корисної дії ТЕС сягає 40%. Більша частина енергії втрачається разом із гарячою відпрацьованою парою.

Теплові електростанції - ТЕЦдозволяють значну частину енергії відпрацьованої пари використовувати на промислових підприємствах та для побутових потреб.
В результаті ККД ТЕЦ сягає 60-70%.
У Росії її ТЕЦ дають близько 40% всієї електроенергії і постачають електроенергією сотні міст.

на гідроелектростанції - ГЕСДля обертання роторів генераторів використовується потенційна енергія води.

Ротори електричних генераторів обертаються гідравлічними турбінами.
Потужність такої станції залежить від створюваного греблею напору і маси води, що проходить через турбіну кожну секунду.

Гідроелектростанції дають близько 20% всієї електроенергії, що виробляється в нашій країні.

Атомні електростанції - АЕСу Росії дають близько 10% електроенергії.

Використання електроенергії

Головним споживачем електроенергії є промисловість - 70% електроенергії.
Великим споживачем є також транспорт.

Більшість використовуваної електроенергії сьогодні перетворюється на механічну енергію, т.к. Майже всі механізми в промисловості рухаються електричними двигунами.

Передача електроенергії

Передача електроенергії пов'язані з помітними втратами, оскільки електричний струм нагріває дроти ліній електропередачі. Відповідно до закону Джоуля - Ленца енергія, що витрачається на нагрівання проводів лінії, визначається формулою

де
R- Опір лінії,
U- напруга, що передається,
Р- Потужність джерела струму.

За дуже великої довжини лінії передача енергії може стати економічно невигідною.
Значно знизити опір лінії R практично важко, тому доводиться зменшувати силу струму I.

Так як потужність джерела струму Р дорівнює добутку сили струму I на напругу U, то для зменшення потужності, що передається, потрібно підвищити передається напруга в лінії передачі.

Для цього на великих електростанціях встановлюють трансформатори, що підвищують.
Трансформатор збільшує напругу в лінії в стільки ж разів, скільки разів зменшує силу струму.

Чим довша лінія передачі, тим вигідніше використовувати вищу напругу. Генератори змінного струму налаштовують на напруги, що не перевищують 16-20 кВ. Більш висока напруга вимагала б вживання складних спеціальних заходів для ізоляції обмоток та інших частин генераторів.

Це досягається за допомогою знижувальних трансформаторів.

Зниження напруги (і збільшення сили струму) здійснюються поетапно.

При дуже високій напрузі між проводами може початися розряд, що призводить до втрат енергії.
Допустима амплітуда змінної напруги повинна бути такою, щоб при заданій площі поперечного перерізу дроту втрати енергії внаслідок розряду були незначними.

Електричні станції об'єднані високовольтними лініями електропередач, утворюючи загальну електричну мережу, до якої підключені споживачі.
Таке об'єднання, яке називається енергосистемою, дає можливість розподіляти навантаження споживання енергії.
Енергосистема забезпечує безперебійність подачі енергії споживачам.
Нині у нашій країні діє Єдина енергетична система європейської частини країни.

Використання електроенергії

Потреба в електроенергії постійно збільшується як у промисловості, транспорті, наукових установах, і у побуті. Задовольнити цю потребу можна двома основними способами.

Перший - будівництво нових потужних електростанцій: теплових, гідравлічних та атомних.
Однак будівництво великої електростанції потребує кількох років та великих витрат.
Крім того, теплові електростанції споживають невідновлювані природні ресурси: вугілля, нафту та газ.
Одночасно вони завдають великої шкоди рівновазі на планеті.
Передові технології дозволяють задовольнити потреби в електроенергії в інший спосіб.

Другий – ефективне використання електроенергії: сучасні люмінесцентні лампи, економія освітлення.

Великі надії покладаються отримання енергії з допомогою керованих термоядерних реакцій.

Пріоритет має бути надано збільшенню ефективності використання електроенергії, а не підвищенню потужності електростанцій.

Електрична енергія виробляється різних масштабах електричних станціях, переважно, з допомогою індукційних електромеханічних генераторів.

Виробництво електроенергії

Існує два основних типи електростанцій:

1. Теплові.

2. Гідравлічні.

Цей поділ викликаний типом двигуна, що обертає ротор генератора. У тепловихЕлектростанція як джерело енергії використовується паливо: вугілля, газ, нафта, горючі сланці, мазут. Ротор обертається паровими газовими турбінами.

Найекономічнішими є теплові паротурбінні електростанції (ТЕС). Їхній максимальний ККД досягає 70%. Це з огляду на те, що відпрацьована пара використовується на промислових підприємствах.

на гідроелектростанціяхДля обертання ротора використовується потенційна енергія води. За допомогою гідравлічних турбін приводиться у обертання ротор. Потужність станції залежатиме від напору та маси води, що проходить через турбіну.

Використання електроенергії

Електрична енергія використовується майже повсюдно. Звісно, ​​більшість виробленої електроенергії посідає промисловість. Крім цього, великим споживачем буде транспорт.

Багато залізничних ліній вже давно перейшли на електричну тягу. Висвітлення житла, вулиць міст, виробничі та побутові потреби сіл та сіл – все це теж є великим споживачем електроенергії.

Величезна частина одержуваної електроенергії перетворюється на механічну енергію. Всі механізми, що використовуються в промисловості, рухаються за рахунок електродвигунів. Споживачів електроенергії достатньо, і вони перебувають усюди.

А виробляється електроенергія лише в небагатьох місцях. Виникає питання передачі електроенергії, причому великі відстані. При передачі великі відстані, відбувається багато втрат електроенергії. Головним чином це втрати на нагрівання електропроводів.

За законом Джоуля-Ленца енергія, що витрачається на нагрівання, обчислюється за такою формулою:

Так як знизити опір до прийнятного рівня практично неможливо, доводиться зменшувати силу струму. Для цього підвищують напругу. Зазвичай на станціях стоять генератори, що підвищують, а в кінці ліній передач стоять знижуючі трансформатори. І вже з них енергія розходиться щодо споживачів.

Потреба електричної енергії постійно збільшується. Для того, щоб відповідати запитам на збільшення споживання, є два шляхи:

1. Будівництво нових електростанцій

2. Використання передових технологій.

Ефективне використання електроенергії

Перший спосіб вимагає витрат великої кількості будівельних та фінансових ресурсів. На будівництво однієї електростанції витрачається кілька років. До того ж, наприклад, теплові електростанції споживають багато невідновлюваних природних ресурсів і завдають шкоди навколишньому природному середовищу.