Материал для конференции "Производство электроэнергии" 11 класс

Под генератором понимается устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую.

В современной энергетике применяют индукционные генераторы, в которых используется явление электромагнитной индукции. Преимущество таких генераторов состоит в том, что они позволяют получать большие токи при достаточно высоком напряжении.

В настоящее время уровень производства и потребления энергии — один из важнейших показателей развития производственных сил общества. При этом ведущую роль играетэлектроэнергия — самая универсальная и удобная для использования форма энергии. Если потребление энергии в мире увеличивается вдвое примерно за 25 лет, то увеличение потребления электроэнергии в два раза происходит в среднем за 10 лет. Это означает, что все больше и больше процессов, связанных с расходованием энергоресурсов, переводится на электроэнергию.

Электроэнергетика — базовая инфраструктурная отрасль, снабжающая электричеством и теплом все остальные сектора хозяйства. С энергопотреблением прямо связаны и уровень социально-экономического развития, и общая деловая активность, и жизнь каждого человека.

Электроэнергетика имеет связи со всеми секторами экономики, снабжая их произведенными электричеством и теплом и получая от некоторых из них ресурсы для своего функционирования.

Особенностями развития энергетики на современном уровне являются резкое ужесточение экологических требований (в частности, Киотский протокол по выбросам парниковых газов), переход на высокоэффективные и ресурсосберегающие энергетические технологии и попытки поиска альтернативных (без использования традиционного органического топлива) источников энергии. Тем не менее, сегодня главный вклад в мировое производство электроэнергии дает уголь (40 %), заметно меньше — газ (19 %) и далее по 16 % атомная и гидроэнергетика.

И в будущем уверенное лидерство по приросту генерирующих мощностей будет принадлежать углю. Далее по приоритету идут газ, гидроэнергия с возобновляемыми источниками, и совсем небольшая роль отводится атомной энергии.

Производится электроэнергия на больших и малых электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов. Основными производителями электроэнергии являются:

тепловые электростанции (ТЭС), где тепловая энергия, образующаяся при сжигании органического топлива (уголь, газ, мазут, торф, сланцы и т.д.), используется для вращения турбин, приводящих в движение электрогенератор.

гидроэлектростанции (ГЭС), где в электроэнергию преобразуется механическая энергия потока воды с помощью гидравлических турбин, вращающих электрогенераторы;

атомные электростанции (АЭС), где в электроэнергию преобразуется тепловая энергия, полученная при цепной ядерной реакции радиоактивных элементов в реакторе.

Три основных типа электростанций определяют виды используемых энергоресурсов. Их принято подразделять на первичные и вторичные, возобновляемые иневозобновляемые.

Первичные энергоносители — это сырьевые материалы в их естественной форме до проведения какой-либо технологической обработки, например каменный уголь, нефть, природный газ и урановая руда. К таковым относятся также солнечное излучение, ветер, водные ресурсы. Вторичная энергия — это продукт переработки, «облагораживания» первичной, например бензин, мазут, ядерное топливо.

Некоторые виды ресурсов могут относительно быстро восстанавливаться в природе, они называются возобновляемыми: дрова, камыш, торф и прочие виды биотоплива, гидропотенциал рек. Ресурсы, не обладающие таким качеством, называютсяневозобновляемыми: уголь, сырая нефть, природный газ, нефтеносный сланец, урановая руда. По большей части они являются полезными ископаемыми. Энергия солнца, ветра, морских приливов относится к неисчерпаемым возобновляемым энергетическим ресурсам.

В настоящее время наиболее распространенным видом технологического топлива в мировой электроэнергетике выступает уголь, использующийся на тепловых электростанциях.

Одна из основных причин преобладания «грязного» угля над «чистым» природным газом и другими видами топлива — оптимальное соотношение цен на топливо. Газ стоит гораздо дороже угля, например, в США — в пять раз. Иная ситуация в России. Традиционно внутренние цены на газ ниже цен на уголь раза в полтора, и нет никаких стимулов для развития угольной энергетики. Поэтому в России, наоборот, наибольший вклад в производство электрической энергии вносит газ (около 46 %) и лишь 18 % — уголь.

Помимо этого, транспортировка угля на значительные расстояния ведет к большим издержкам, что во многих случаях делает его использование нерентабельным. При производстве энергии с использованием угля высок уровень выброса в атмосферу загрязняющих веществ, что наносит существенный вред окружающей среде.

Давайте рассмотрим процесс производства электроэнергии на тепловых электростанциях.

Роторы электрических генераторов на тепловых электростанциях приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания. Конечно, наиболее экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору, число оборотов которого достигает нескольких тысяч в минуту.

Из курса физики 10 класса известно, что коэффициент полезного действия тепловых двигателей увеличивается с повышением температуры нагревателя и соответственно начальной температуры рабочего тела (в нашем случае пара или газа). Поэтому пар, поступающий в турбину, доводится до относительно высоких параметров: его температура достигает 550 ⁰С, а давление составляет порядка 25 МПа.

Однако коэффициент полезного действия ТЭС остается не высоким — порядка 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

Большую экономичность и практическое значение имеют тепловые электростанции — так называемые теплоэлектроцентрали (сокращенно ТЭЦ), которые позволяют значительную часть энергии отработанного пара использовать на промышленных предприятиях и для бытовых нужд (например, для отопления и горячего водоснабжения). В результате этого КПД ТЭЦ достигает 60–70 %. В настоящее время в России ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии и снабжают теплом и электроэнергией сотни городов.

Большое значение в структуре источников электроэнергии сохраняют гидроресурсы, хотя их доля за последние десятилетия несколько сократилась. Преимущества этого источника в его возобновляемости и относительной дешевизне. Но возведениегидростанций оказывает необратимое воздействие на окружающую среду, так как обычно требует затопления значительных территорий при создании водохранилищ. Кроме того, неравномерность распределения водных ресурсов на планете и зависимость от климатических условий ограничивают их гидроэнергетический потенциал.

На гидроэлектростанциях для вращения роторов генераторов используется потенциальная энергия воды. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Мощность такой станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней воды и от массы воды, проходящей через турбину каждую секунду.

У России большой гидроэнергетический потенциал, что подразумевает значительные возможности развития отечественной гидроэнергетики. В настоящее время, гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии. На территории Российской Федерации сосредоточено около 9% мировых запасов гидроресурсов. По обеспеченности гидроэнергетическими ресурсами Россия занимает второе место в мире после Китая, опережая при этом США, Бразилию и Канаду.

Выработка электроэнергии российскими ГЭС обеспечивает ежегодную экономию 50 млн тонн условного топлива. За единицу условного топлива Международное энергетическое агентство приняло нефтяной эквивалент. Одна тонна нефтяного эквивалента равняется 11,63 МВт×ч энергии.  Потенциал экономии составляет 250 млн тонн; позволяет снижать выбросы CO₂ в атмосферу на величину до 60 млн тонн в год, что обеспечивает России практически неограниченный потенциал прироста мощностей энергетики в условиях жестких требований по ограничению выбросов парниковых газов.

Все большее распространение получает использование урана. Это топливо обладает колоссальной эффективностью по сравнению с прочими сырьевыми источниками энергии. Однако применение радиоактивных веществ сопряжено с риском масштабного загрязнения окружающей среды в случае аварии. Кроме того,возведение АЭС и утилизация отработанного топлива чрезвычайно капиталоёмкие. Развитие этого вида энергетики осложняется и тем, что пока немногие страны могут обеспечить подготовку научных и технических специалистов, способных разработать технологии и обеспечить квалифицированную эксплуатацию АЭС.

Россия обладает технологией ядерной электроэнергетики полного цикла от добычи урановых руд до выработки электроэнергии.

На сегодняшний день в нашей стране эксплуатируется 10 атомных электростанций(АЭС) — в общей сложности 33 энергоблока установленной мощностью 23,2 гигаватта, которые вырабатывают около 17% всего производимого электричества. В стадии строительства – еще 5 АЭС.

Растет внимание к возобновляемым источникам энергии. В частности, активно разрабатываются технологии использования энергии солнца и ветра, потенциал которых огромен. Правда, на сегодняшний день использование солнечной энергии в промышленных масштабах в большинстве случаев оказывается менее эффективным по сравнению с традиционными видами ресурсов. Что касается энергии ветра, в развитых странах (прежде всего под влиянием экологических движений) ее применение в электроэнергетике значительно увеличилось. Нельзя не упомянуть такжегеотермальную энергию, которая может иметь серьезное значение для некоторых государств,таких как Исландия, Новая Зеландияили отдельных регионов, как например, в России — для Камчатки, Ставропольского и Краснодарского краев, Калининградской области.

Так как же используется электроэнергия?

Главным ее потребителем является промышленность, на долю которой приходится около 70% производимой электроэнергии. Также крупным потребителем электроэнергии является транспорт. В настоящее время все большее количество железнодорожных линий переводится на электрическую тягу. Почти все деревни и села получают электроэнергию от электростанций для производственных и бытовых нужд. Электроэнергия применяется для освещения жилищ и в бытовых электроприборах.

Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию. Почти все механизмы в промышленности приводятся в движение электрическими двигателями, т.к. они удобны, компактны и допускают возможность автоматизации процесса.

Помимо этого, около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется для технологических целей, таких как электросварка, электрический нагрев и плавление металлов, электролиз и тому подобное.

Таким образом, мы можем сделать вывод о том, что современная цивилизация немыслима без широкого использования электроэнергии. А нарушение снабжения электроэнергией крупного города при аварии парализует его жизнь.

В настоящее время потребность в электроэнергии постоянно увеличивается, как в промышленности, на транспорте, в научных учреждениях, так и в быту.

Возможности для более эффективного использования электроэнергииимеются, и немалые.

Приведем несколько основных способов экономии электроэнергии в быту.

Во-первых, всегда выключайте свет, выходя надолго из помещения. При выходе из дома выключайте из розеток все бытовые приборы, кроме холодильника. Даже если у вас телевизор или компьютер новейшей модели, то в месяц в режиме ожидания они потребляют, соответственно, 0,2 кВт и 3,6 кВт в месяц, а устаревшие модели в несколько раз больше.

Замените лампы накаливания на энергосберегающие. Они не только экономят электричество, но и служат в 5-8 раз дольше. Затраты на покупку энергосберегающих ламп окупаются менее чем за год. При покупке энергосберегающих ламп обратите внимание на свет, который они излучают – теплый или холодный. Теплый свет наиболее близкий к свету ламп накаливания или естественному солнечному свету, а холодный аналогичен свету люминесцентных ламп и иногда режет глаза. Лампы холодного света можно использовать на общей площадке или для освещения балкона.

Покупайте бытовую технику класса А, А+, А++. Благодаря этому, экономия электроэнергии в конце месяца будет очевидна. По сравнению с приборами более низкого класса энергопотребления, они потребляют электричества на 30-40% меньше.

Правильно используйте электрочайник. Он потребляет от 2 до 3 кВт электроэнергии. Чтобы сэкономить электроэнергию, придерживайтесь простых правил: кипятить столько воды, сколько нужно в данный момент, и своевременно удаляйте накипь в чайнике. Если у вас электроплита, то для приготовления супов, макаронов и варки овощей целесообразнее кипятить воду в электрочайнике и переливать в кастрюлю на электроплите, т.к. вода в электрочайнике закипает быстрее и на это затрачивается меньше электроэнергии.

Не допускайте нагрева холодильника прямыми солнечными лучами и не ставьте его у плиты или батареи отопления. Также для экономии электроэнергии необходимо своевременно размораживать холодильник и никогда не ставить в него горячие блюда.

Загружайте стиральную машину согласно инструкции. Слишком большая или слишком маленькая загрузка не позволяют экономно расходовать электричество. Перерасход электроэнергии может составлять до 30%.

Во время глажки старайтесь начинать и заканчивать процесс глажкой вещей, требующих низкого температурного режима. Тогда последние платки и косынки можно гладить уже выключенным утюгом.

Не забывайте менять или чистить фильтры пылесоса, ведь иначе они будут затрудняют его работу, уменьшают тягу воздуха и, как следствие, увеличивают его энергопотребление.

Используйте теплоотражающие экраны. Очень много электроэнергии поглощают обогревательные приборы, используемые в осенне-зимний период. Сократить их использование помогут теплоотражающие экраны из фольги или пенофола, установленные за батареями. Данная мера поможет повысить температуру в комнате на 2-3 градуса.

Помимо всего вышеперечисленного, можно экономить энергию, приняв простые меры по утеплению помещения. Во-первых, утеплите окна, заткнув все щели или поменяйте деревянные стеклопакеты на более качественные пластиковые. Через окна может уходить до 50% тепла. Во-вторых, повесьте на окна теплые плотные ночные занавески.

Замените старую проводку. Иногда, повышенное потребление электричества возникает из-за старости электропроводки. В этом случае достаточно заменить ее, получив не только возможность сэкономить, но и повысив пожарную безопасность помещения.

Включайте кондиционер лишь тогда, когда закрыты все окна и двери, иначе кондиционер будет охлаждать улицу или другие помещения.

Чаще мойте лампы, плафоны и окна. Грязь и пыль снижают освещенность в помещении на 30%. Еще не забудьте снять с подоконника большие растения и не задергивайте днем шторы, рационально используйте естественное освещение.

Потратьте сэкономленные деньги на что-то приятное!

Уютнейшая вещь керосиновая лампа,

но я за электричество!

М.А. Булгаков «Морфий»

В данной теме подробно рассмотрим механизм передачи электроэнергии на большие расстояния.

Для начала повторим некоторые определения и понятия, которые понадобятся при изучении нового материала.

Трансформатором называется устройство, которое служит для преобразования силы и напряжения переменного тока при неизменной частоте.

Любой трансформатор характеризуется коэффициентом трансформации — отношением числа витков в первичной обмотке трансформатора, к числу витков в его вторичной обмотке.

В зависимости от значения коэффициента трансформации, различают повышающий ипонижающий трансформаторы.

Если коэффициент трансформации меньше единицы, то трансформатор называетсяповышающим, а если больше единицы, то понижающим.

Электроэнергия вырабатывается на различных электростанциях: ТЭС, ГЭС и АЭС. Однако, как правило, все электростанции располагаются на значительном удалении от крупным населенных пунктов и городов, в местах, близких к источникам топливо- и гидроресурсов.

Известно что, законсервировать электроэнергию в больших масштабах, в настоящее время невозможно. Поэтому она должна быть потреблена практически сразу же после получения. В связи с этим, возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.

Для этого между станцией и конечными потребителями строятся линии электропередач.

Однако передача электроэнергии по линии электропередач связана с заметными потерями, так как при протекании электрического тока по проводам, он вызывает их нагревание.

Согласно закона Джоуля-Ленца количество теплоты, выделяемой проводником равно произведению квадрата силы тока, сопротивления и времени прохождения тока по проводнику. Таким образом, исходя из данного закона, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии электропередач, будет определятся по формуле:

где R — сопротивление линии электропередач, U — передаваемое напряжение, а P — мощность источника тока.

Исходя из данного закона, следует, что уменьшить потери в линии электропередач можнодвумя способами: либо уменьшить сопротивление проводов, либо уменьшить силу тока в них.

Из курса физики 8 класса известно, что сопротивление зависит от геометрических свойств проводника, а также от материала, из которого он изготовлен. Отсюда видно, что сопротивление будет меньше, если уменьшить длину проводника. Однако длина определяется расстоянием, на которое передается электроэнергия. Значит, этот способ не подходит. Можно попытаться увеличить площадь поперечного сечения, но это приведет к перерасходу дорогостоящего цветного металла и возникновению трудностей, при закреплении проводов на столбах. Так что, и этот способ не выгоден. Значит, остается только второй способ — уменьшать силу тока в линии электропередач.

Но при данной мощности IU уменьшение силы тока возможно лишь при повышении передаваемого напряжения в линии электропередач. Поэтому, при передаче электроэнергии на большие расстояния необходимо пользоваться высоким напряжением и, чем длиннее линия передачи, тем более выгоднее использовать более высокое напряжение. Поэтому на крупных электростанциях устанавливаютповышающие трансформаторы. Напомним, что трансформатор уменьшает силу тока во столько же раз, во сколько раз он увеличивает напряжение.

Так, электроэнергия Волжской ГЭС передается в Москву при напряжении 500 кВ, а от Саяно-Шушенской ГЭС — при напряжении 750 кВ. Однако на самих электростанциях генераторы переменного тока выстраивают на напряжения, не превышающие 16 — 20 кВ. Это, в первую очередь, связано с тем, что более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных мер для изоляции обмоток и иных частей генераторов.

Однако, для непосредственного использования, электроэнергия таких больших напряжений не подходит. Вследствие чего, напряжение на концах линии электропередач нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов.

При этом понижение напряжения и соответственно силы тока осуществляются в несколько этапов. На каждом из них напряжение становится все меньше и меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, — все шире.

Обратите внимание на блок-схему линии передачи переменного тока. Как можно заметить, в ней присутствуют конденсаторы. Все дело в том, что трансформаторы обладают очень большим индуктивным сопротивлением, вследствие чего происходит сдвиг фаз между силой тока и напряжением. А конденсаторы помогают увеличить коэффициент мощности, тем самым свести к минимуму эту разность фаз.

В одной из прошлых тем говорилось, что долгое время в ученых кругах были разногласия по поводу использования постоянного и переменного тока. Эти разногласия были связаны в первую очередь с тем, что при передаче постоянного тока потери были бы меньше примерно в 1,5 раза. Однако до сих пор нет способов трансформации постоянного тока. Делается попытка промышленной передачи постоянного тока высокого напряжения на большие расстояния, но трансформируется все же переменный ток, который потом при высоком напряжении выпрямляется при помощи полупроводниковых приборов. После передачи постоянный ток обратно преобразуется в переменный в инверторах, который затем вновь трансформируется.

Тем не менее, трудности преобразований тока в такой линии передачи не позволяют пока широко использовать данный экономичный метод передачи электроэнергии.

Поэтому, в ближайшие годы, электроэнергия в жилые дома и для обеспечения нужд промышленности будет передаваться по линиям электропередач в виде переменного тока.

Что касается электрических станций ряда районов нашей страны, то они объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой подключены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Она позволяет сгладить пиковые нагрузки потребления электроэнергии в вечерние и утренние часы.

Помимо этого, энергосистема обеспечивает бесперебойную подачу энергии потребителям вне зависимости от их месторасположения.

Основные выводы:

– Передача электроэнергии на большие расстояния с малыми потерями – довольно таки сложная задача. Но использование повышающих и понижающих трансформаторов помогает успешно ее разрешить.