Производство и потребление электроэнергии. Производство и использование электрической энергии

по физике

на тему«Производство, передача и использование электроэнергии»

ученицы 11класса А

МОУ школы № 85

Екатерины.

План реферата.

Введение.

1. Производствоэлектроэнергии.

1. типыэлектростанций.

2. альтернативныеисточники энергии.

2. Передачаэлектроэнергии.

трансформаторы.

3. Использованиеэлектроэнергии.

Введение.

Рождение энергетикипроизошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использоватьогонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма,оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником вземледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

Прекрасный миф о Прометее,даровавшем людям огонь, появился в Древней Греции значительно позже того, какво многих частях света были освоены методы довольно изощренного обращения согнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованиемтоплива.

На протяжении многихлет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины,кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаруженавозможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменныйуголь, нефть, сланцы, торф.

На сегодняшний деньэнергия остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможностьсоздавать различные материалы, является одним из главных факторов приразработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видовэнергии человек не способен полноценно существовать.

Производствоэлектроэнергии.

Типыэлектростанций.

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатываю­щая электрическуюэнергию в результате пре­образования тепловой энергии, выделяю­щейся присжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце 19 века и получилипреимущественное распространение. В середине 70-х годов 20 века ТЭС - основнойвид элек­трической станций.

На тепловыхэлектростанциях химическая энергия топлива преобразуется сначала вмеханическую, а затем в электрическую. Топливомдля такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут.

Тепловыеэлектрические стан­ции подразделяют на конденсационные (КЭС),предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектро­централи (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды ипара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районныхэлектро­станций (ГРЭС).

Простейшаяпринципиальная схема КЭС, работающей на угле, представлена на рисунке. Угольподается в топливный бункер 1, а из него - в дробильную установку 2, гдепревраща­ется в пыль. Угольная пыль поступает в топку парогенератора (паровогокотла) 3, имеющего систему трубок, в которых цир­кулирует химически очищеннаявода, называемая питательной. В котле вода нагревается, испаряется, аобразовавшийся насы­щенный пар доводится до температуры 400-650 °С и под дав­лением3-24 МПа поступает по паропроводу в паровую турби­ну 4. Параметры пара зависятот мощности агрегатов.

Тепловые конденсацион­ныеэлектростанции име­ют невысокий кпд (30- 40%), так как большая часть энергиитеряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора. СооружатьКЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этомпотребители электроэнергии могут находиться на значи­тельном расстоянии отстан­ции.

Теплоэлектроцентраль отли­чается от конденсационной станции установленной на ней специальнойтеплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затемпоступает в конденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление,отбирается от промежуточной ступени турбины и исполь­зуется для теплоснабжения.Конденсат насосом 7 через деаэра­тор 8 и далее питательным насосом 9 подается впарогенератор. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприя­тийв тепловой энергии.

Коэффициент полезногодействия ТЭЦ достигает 60-70%. Такие станции строят обычно вблизи потребителей- про­мышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают напривозном топливе.

Значительно меньшеераспространение полу­чили тепловые станции с газотурбинными (ГТЭС), парогазовыми (ПГЭС) и дизельными установками.

Вкамере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания стемпера­турой 750-900 ºС поступают в газо­вую турбину, вращающуюэлектрогене­ратор. Кпд таких ТЭС обычно составляет 26-28%, мощность - донескольких со­тен МВт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиковэлектрической нагрузки. Кпд ПГЭС может достигать 42 - 43%.

Наиболее экономичными яв­ляютсякрупные тепловые паро­турбинные электростанции (сокра­щенно ТЭС). БольшинствоТЭС нашей страны используют в ка­честве топлива угольную пыль. Для выработки 1кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот грам­мов угля. В паровом котлесвыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кине­тическаяэнергия струй пара пере­дается ротору. Вал турбины жестко соединен с валомгенератора.

Современные паровые турбины для ТЭС - весьма совершенные,быстроходные, высокоэкономичные машины с большим ресурсом работы. Их мощность водновальном исполнении достигает 1 млн. 200 тыс. кВт, и это не являетсяпределом. Такие машины всегда бывают многоступенчатыми, т. е. имеют обыч­нонесколько десятков дисков с рабочими лопат­ками и такое же количество, передкаждым диском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление итемпература пара постепенно снижаются.

Из курса физики из­вестно,что КПД тепловых двига­телей увеличивается с ростом на­чальной температурырабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров:температуру - почти до 550 °С и давление - до 25 МПа. Коэффи­циент полезногодействия ТЭС дости­гает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячимотрабо­танным паром.

Гидроэлектрическаястанция (ГЭС), комплекссооружений и оборудования, посредством которых энергия потока водыпреобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гид­ротехническихсооружений, обеспечи­вающих необходимую концентрацию по­тока воды и созданиенапора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся поднапором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь,преобразуется в электрическую энергию.

НапорГЭС создается концентрацией падения реки на используемом участке плотиной, либодеривацией, либо плотиной и дери­вацией совместно. Основноеэнергетическое оборудование ГЭС размещается в здании ГЭС: в машинном залеэлектростанции - гидроагрегаты, вспомогательное оборудование, устройства автоматического управления и контроля; в центральном посту управления- пульт оператора-диспетчера или автооператор гидро­электростанции. Повышающая транс­форматорная подстанция размещается как внутри зданияГЭС, так и в отдельных зда­ниях или на открытых площадках. Рас­пределительныеустройства зачастую располагаются на открытой площадке. Здание ГЭС можетбыть разделено на секции с одним или несколькими агрегатами и вспомогательнымоборудованием, отделённые от смежных частей здания. При здании ГЭС или внутринего создаётся монтаж­ная площадка для сборки и ремонта раз­личногооборудования и для вспомогательных операций по обслуживанию ГЭС.

Поустановленной мощности (в МВт) различают ГЭС мощные (св. 250), сред­ние (до 25) и малые (до 5). Мощность ГЭС зависит от напора (разности уровнейверхнего и нижнего бьефа), расхода воды, используемого в гидротурбинах,и кпд гидроагрегата. По ряду причин (вследствие, например, сезонных измененийуровня воды в во­доёмах, непостоянства нагрузки энерго­системы, ремонтагидроагрегатов или гидротехнических сооружений и т. п.) напор и расход водынепрерывно меняются, а, кроме того, меняется расход при регули­ровании мощностиГЭС. Различают го­дичный, недельный и суточный циклы режима работы ГЭС.

Помаксимально используемому напо­ру ГЭС делятся на высоконапорные (более60 м), средненапорные (от 25 до 60 м) и низконапорные (от 3 до 25 м). На равнинных реках напоры редко пре­вышают 100 м, вгорных условиях посредством плотины можно создавать напоры до 300 м иболее, а с помощью дерива­ции - до 1500 м. Подразделение ГЭС поиспользуемому напору имеет при­близительный, условный характер.

Посхеме использования водных ре­сурсов и концентрации напоров ГЭС обыч­ноподразделяют на русловые , приплотинные , деривационные снапорной и без­напорной деривацией, смешанные, гидроаккумулирующие и приливные .

Врусловых и приплотинных ГЭС напор воды создаётся плотиной, пе­регораживающейреку и поднимающей уровень воды в верхнем бьефе. При этом неизбежно некотороезатопление долины реки. Русловые и приплотинныс ГЭС строят и на равнинныхмноговодных реках и на горных реках, в узких сжатых долинах. Для русловых ГЭСхарактерны напоры до 30-40 м.

Приболее высоких напорах оказывает­ся нецелесообразным передавать на зда­ние ГЭСгидростатичное давление воды. В этом случае применяется тип плотиной ГЭС, у которой напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, аздание ГЭС располагается за пло­тиной, примыкает к нижнему бьефу.

Другойвид компоновки приплотинная ГЭС соответствует горным усло­виям присравнительно малых рас­ходах реки.

Вдеривационных ГЭС кон­центрация падения реки создаётся по­средствомдеривации; вода в начале ис­пользуемого участка реки отводится из речного руславодоводом, с уклоном, зна­чительно меньшим, чем средний уклон реки на этомучастке и со спрямлением изги­бов и поворотов русла. Конец деривации подводят кместу расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвраща­ется в реку,либо подводится к следующей де­ривационной ГЭС. Деривация выгодна тогда, когдауклон реки велик.

Особоеместо среди ГЭС занимают гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и приливныеэлектростанции (ПЭС). Сооружение ГАЭС обусловлено ростом потребности впиковой мощности в крупных энергетических системах, что и определяетгенераторную мощность, тре­бующуюся для покрытия пиковых на­грузок. СпособностьГАЭС аккумулиро­вать энергию основана на том, что сво­бодная вэнергосистеме в некоторый пе­риод времени электрическая энергияиспользуется агрегатами ГАЭС, которые, работая в ре­жиме насоса, нагнетают водуиз водохра­нилища в верхний аккумулирующий бас­сейн. В период пиков нагрузкиаккуму­лированная энергия возвращается в энергосистему (вода из верхнего бассей­напоступает в напорный трубопровод и вращает гидроагрегаты, работающие в режимегенератора тока).

ПЭСпреобразуют энергию морских приливов в электрическую. Электроэнер­гия приливныхГЭС в силу некоторых особенностей, связанных с периодичным ха­рактером приливови отливов, может быть использована в энергосистемах лишь совместно с энергией регулирующих электростанций, которые восполняют про­валы мощности приливныхэлектростан­ций в течение суток или месяцев.

Важнейшаяособенность гидроэнергетических ресурсов по сравнению стопливно-энергетическими ресурсами - их непрерывная возобновляемость.Отсутствие потребности в топливе для ГЭС определяет низ­кую себестоимостьвырабатываемой на ГЭС электроэнергии. Поэтому сооруже­нию ГЭС, несмотря назначительные, удельные капиталовложения на 1 кВт установлен­ной мощностии продолжительные сроки строи­тельства, придавалось и придаётся боль­шоезначение, особенно когда это связано с размещением электроёмких производств.

Атомная электростанция (АЭС), электростанция, в которой атомная (ядер­ная) энергия преобразуется вэлект­рическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло,которое выделя­ется в реакторе в результате цепной реакции деления ядернекоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обыч­ных тепловыхэлектростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отли­чие от ТЭС,работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горю­чем (воснове 233U, 235U, 239Pu).Установлено, что мировые энергетические ресурсы ядерного горючего (уран,плутоний и др.) существенно превышают энергоресурсы природных запасоворганического, топлива (нефть, уголь, природный газ и др.). Это открываетширокие перспективы для удовлетворе­ния быстро растущих потребностей в топ­ливе.Кроме того, необходимо учиты­вать всё увеличивающийся объём потреб­ления угля инефти для технологических целей мировой химической промышленности, котораястановится серьёзным конкурентом тепло­вых электростанций. Несмотря на откры­тиеновых месторождений органического топ­лива и совершенствование способов егодобычи, в мире наблюдается тенденция к относительному, увеличению егостоимости. Это создаёт наиболее тяжёлые условия для стран, имеющих ограниченныезапасы топлива органического происхождения. Очевидна необходимость быстрейшегоразвития атомной энергетики, которая уже занимает заметное место вэнергетическом балансе ряда промышленных стран мира.

Принципиальнаясхема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение, приведена на рис. 2.Тепло, выделяемое в активной зоне реактора теплоносителем, вбираетсяводой 1-го контура, которая прокачивается через реактор циркуляционнымнасосом.Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник(парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе воде 2-гоконтура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образуется пар,который затем поступает в турбину 4.

Наиболеечасто на АЭС применяют 4 типа реакторов на тепловых нейтронах:

1)водо-водяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя;

2)графитоводные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем;

3)тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя;

4)граффито - газовые с газовым теплоноси­телем и графитовым замедлителем.

Выборпреимущественно применяемого типа реактора определяется главным образом на­копленнымопытом в реактороносителе, а также наличием необходимого промышленного оборудования,сырьевых запасов и т. д.

Креактору и обслуживающим его си­стемам относятся: собственно реактор сбиологическойзащитой, теплообменни­ки, насосы или газодувныеустановки, осуществляющие циркуляцию теплоноси­теля, трубопроводы и арматурациркуляции контура, устройства для перезагруз­ки ядерного горючего, системыспециальной вентиляции, аварийного расхолаживания и др.

Дляпредохранения персонала АЭС от радиационного облучения реактор окружаютбиологической защитой, основным материалом для которой служат бетон, вода,серпантиновый песок. Оборудование реакторного контура должно быть полностьюгерме­тичным. Предусматривается система конт­роля мест возможной утечкитеплоноси­теля, принимают меры, чтобы появление не плотностей и разрывов контуране приводило к радиоактивным выбросам и загрязнению помещений АЭС и окружаю­щейместности. Радиоактивный воздух и не­большое количество паров теплоносителя,обусловленное наличием протечек из контура, удаляют из необслуживаемыхпомещений АЭС специальной системой вентиляции, в которой для исключениявозможно­сти загрязнения атмосферы предусмот­рены очистные фильтры игазгольдеры выдержки. За выполнением правил ра­диационной безопасностиперсоналом АЭС сле­дит служба дозиметрического контроля.

Наличие биологической защиты, систем специальной вентиляции и аварийного расхо­лаживанияи службы дозиметрического контро­ля позволяет полностью обезопаситьобслуживающий персонал АЭС от вред­ных воздействий радиоактивного облу­чения.

АЭС, являющиесянаиболее современным видом электростанций, имеют ряд существенных преимуществперед другими видами электростанций: при нормальных условиях функционированияони абсолютно не загрязняют окружающую среду, не требуют привязки к источникусырья и соответственно могут быть размещены практически везде. Новыеэнергоблоки имеют мощность практически равную мощности средней ГЭС, однакокоэффициент использования установленной мощности на АЭС (80%) значительнопревышает этот показатель у ГЭС или ТЭС.

Значительныхнедостатков АЭС при нормальных условиях функционирования практически не имеют.Однако нельзя не заметить опасность АЭС при возможных форс-мажорныхобстоятельствах: землетрясениях, ураганах, и т. п. - здесь старые моделиэнергоблоков представляют потенциальную опасность радиационного заражениятерриторий из-за неконтролируемого перегрева реактора.

Альтернативныеисточники энергии.

Энергия солнца.

В последнее времяинтерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос, ведь потенциальныевозможности энергетики, основанной на использование непосредственногосолнечного излучения, чрезвычайно велики.

Простейшийколлектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический(как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы сциркулирующей в ней жид­костью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной кол­лектором, жидкость поступает для непосредственного использова­ния.

Солнечнаяэнергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение пот­ребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсахдля добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовлениягелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.

Покаеще электрическая энергия, рожденная солнечными луча­ми, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, чтоэксперименты, которые они прове­дут на опытных установках и станциях, помогутрешить не только технические, но и экономические проблемы.

Ветроваяэнергия.

Огромнаэнергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто разпревышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земледуют ветры. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику наогромной территории.

Нов наши дни двигатели, использующие ветер, покрыва­ют всего одну тысячнуюмировых потребностей в энергии. Потому к созданию конструкцийветроколеса-сердца любой ветроэнергетической установки привлекаютсяспециалисты-са­молетостроители, умеющие выбрать наиболее целесообразный про­фильлопасти, исследовать его в аэродинамической трубе. Усили­ями ученых и инженеровсозданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Энергия Земли.

Издавналюди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрахземного шара. Память человечества хранит предания о катастрофическихизвержениях вулканов, унес­ших миллионы человеческих жизней, неузнаваемоизменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительнонебольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощ­ность самыхкрупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить неприходится, нет пока у лю­дей возможностей обуздать эту непокорную стихию.

Энергия Земли пригодна не только для отопленияпомещений, как это происходит в Исландии, но и для получения электроэнергии.Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 годув небольшом итальянском городке Лардерелло. Пос­тепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовалисьновые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла ужевнушительной величи­ны-360 тысяч киловатт.

Передачаэлектроэнергии.

Трансформаторы.

Вы приобрелихолодильник ЗИЛ. Продавец вас предупредил, что холодильник рассчитан нанапряжение в сети 220 В. А у вас в доме сетевое напряжение 127 В. Безвыходноеположение? Ничуть. Просто придется сделать дополнительную затрату и приобреститрансформатор.

Трансформатор - очень простое устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижатьнапряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощьютрансформаторов. Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русскимученым П. Н. Яблочковым для питания изобре­тенных им «электрических свечей» -нового в то время источника света. Идея П. Н. Яблочкова была развитасотрудником Москов­ского университета И. Ф. Усагиным, сконструировавшимусовершенствованные трансформаторы.

Трансформатор состоитиз замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более)катушки с проволочны­ми обмотками (рис. 1). Одна из обмоток, называемая первич­ной,подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которойприсоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющиеэлектроэнергию, называется вторич­ной.

Рис.1 Рис.2

Схема устройстватрансформатора с двумя обмотками при­ведена на рисунке 2, а принятое для негоусловное обозначе­ние - на рис. 3.

Действиетрансформатора основано на явлении электромаг­нитной индукции. При прохождениипеременного тока по первич­ной обмотке в железном сердечнике появляетсяпеременный маг­нитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке.Причем мгновенное значение ЭДС индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадеяопределяется формулой:

е = - Δ Ф/ Δ t

ЕслиФ = Ф0соsωt,то

е = ω Ф0 sin ω t , или

е = E sin ω t ,

гдеE =ω Ф0 - амплитуда ЭДС в одном витке.

В первичной обмотке,имеющей п1 витков, полная ЭДС индук­ции e 1 равна п1е.

Во вторичной обмоткеполная ЭДС. е2 равна п2е, где п2 - чис­ло витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

e 1 е2 = п1п2 . (1)

Сумманапряжения u 1 , приложенного к первичной обмотке, и ЭДС e 1 должна равняться падению напряжения в первичной обмотке:

u 1 + e 1 = i 1 R 1 , где R 1 - активное сопротивление обмотки, а i 1 - сила тока в ней. Данное уравнение непосредственновытекает из общего урав­нения. Обычно активное сопротивле­ние обмотки мало ичленом i 1 R 1 можно пре­небречь. Поэтому

u 1 ≈ -e 1 . (2)

При разомкнутойвторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет место соотношение:

u 2 ≈ - e 2 . (3)

Таккак мгновенные значения ЭДС e 1 иe 2 изменяютсясинфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением дей­ствующихзначений E 1 и E 2 этих ЭДС или, учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значенийнапряжений U1 и U2 .

U1 /U2 = E 1 / E 2 = n 1 / n 2 = k . (4)

Величинаk называется коэффициентом трансформации. Ес­ли k >1, то трансформатор является понижающим, при k <1 - повышающим.

При замыкании цепивторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u 2 ≈ - e 2 уже не выполняется точно, и соответ­ственно связь между U1 и U2 становитсяболее сложной, чем в уравнении (4).

Согласно законусохранения энергии, мощность в первичной цепи должна равняться мощности вовторичной цепи:

U1 I 1 = U2 I 2, (5)

где I 1 иI 2 -действующие значения силы в первичной и вто­ричной обмотках.

Отсюда следует, что

U1 /U2 = I 1 / I 2 . (6)

Этоозначает, что, повышая с помощью трансформатора на­пряжение в несколько раз, мыво столько же раз уменьшаем си­лу тока (и наоборот).

Вследствие неизбежныхпотерь энергии на выделение тепла в обмотках и железном сердечнике уравнения(5) и (6) вы­полняются приближенно. Однако в современных мощных транс­форматорахсуммарные потери не превышают 2-3%.

В житейской практикечасто приходится иметь дело с трансформаторами. Кроме тех трансформаторов,которыми мы пользуемся волей-неволей из-за того, что промышленные приборырассчитаны на одно напряжение, а в городской сети используется другое, - кромених приходится иметь дело с бобинами автомобиля. Бобина - это повышающийтрансформатор. Для создания искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокоенапряжение, которое мы и получаем от аккумулятора автомобиля, предварительнопревратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя.Нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагреваниетрансформатора, при повышении напряжения уменьшается сила тока, и наоборот.

Для сварочныхаппаратов требуются понижающие трансформаторы. Для сварки нужны очень сильныетоки, и трансформатор сварочного аппарата имеет всего лишь один выходной виток.

Вы, наверное,обращали внимание, что сердечник трансформатора изготовляют из тонких листиковстали. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразованиинапряжения. В листовом материале вихревые токи будут играть меньшую роль, чем всплошном.

Дома вы имеете дело смаленькими трансформаторами. Что же касается мощных трансформаторов, то онипредставляют собой огромные сооружения. В этих случаях сердечник с обмоткамипомещен в бак, заполненный охлаждающим маслом.

Передачаэлектроэнергии

Потребителиэлектроэнергии имеются повсюду. Производит­ся же она в сравнительно немногихместах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому возникает необходимостьпередачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров.

Но передачаэлектроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том,что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с закономДжоуля - Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов ли­нии, определяетсяформулой

где R - сопротивление линии. При большой длине линии переда­чаэнергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерьможно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивления Rлинии посредством увеличения площади попе­речного сечения проводов. Но дляуменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода такжев 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоя­щегоцветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов навысоких мачтах и т. п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем:уменьшением тока в ли­нии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшаетколичество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тотже эффект, что и от стократного утяжеления провода.

Так как мощность токапропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохраненияпередаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чемдлиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высо­кое напряжение.Так, например, в высоковольтной линии переда­чи Волжская ГЭС - Москваиспользуют напряжение в 500 кв. Между тем генераторы переменного тока строят нанапряжения, не превышающие 16-20 кв., так как бо­лее высокое напряжениепотребовало бы принятия более слож­ных специальных мер для изоляции обмоток идругих частей генераторов.

Поэтому на крупныхэлектростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличиваетнапряжение в ли­нии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока. Потеримощности при этом невелики.

Для непосредственногоиспользования электроэнергии в дви­гателях электропривода станков, восветительной сети и для дру­гих целей напряжение на концах линии нужнопонизить. Это до­стигается с помощью понижающих трансформаторов. Причем обычнопонижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит внесколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, атерритория, охватываемая электрической сетью, - все шире. Схема передачи ираспределения электроэнергии приведена на рисунке.

Электрические станцииряда областей страны соединены высоковольтными линиями передач, образуя общуюэлектросеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение называетсяэнергосистемой. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергиипотребителям не зависимо от их месторасположения.

Использованиеэлектроэнергии.

Использованиеэлектроэнергетики в различных областях науки.

ХХ век стал веком,когда наука вторгается во все сферы жизни общества: экономику, политику,культуру, образование и т.д. Естественно, что наука непосредственно влияет наразвитие энергетики и сферу применения электроэнергии. С одной стороны наукаспособствует расширению сферы применения электрической энергии и тем самымувеличивает ее потребление, но с другой стороны в эпоху, когда неограниченноеиспользование невозобновляемых энергетических ресурсов несет опасность длябудущих поколений, актуальными задачами науки становятся задачи разработкиэнергосберегающих технологий и внедрение их в жизнь.

Рассмотрим этивопросы на конкретных примерах. Около 80% прироста ВВП (внутреннего валовогопродукта) развитых стран достигается за счет технических инноваций, основнаячасть которых связана с использованием электроэнергии. Все новое впромышленность, сельское хозяйство и быт приходит к нам благодаря новымразработкам в различных отраслях науки.

Большая часть научныхразработок начинается с теоретических расчетов. Но если в ХIХ веке эти расчетыпроизводились с помощью пера и бумаги, то в век НТР (научно-техническойреволюции) все теоретические расчеты, отбор и анализ научных данных и дажелингвистический разбор литературных произведений делаются с помощью ЭВМ(электронно-вычислительных машин), которые работают на электрической энергии,наиболее удобной для передачи ее на расстояние и использования. Но еслипервоначально ЭВМ использовались для научных расчетов, то теперь из наукикомпьютеры пришли в жизнь.

Сейчас онииспользуются во всех сферах деятельности человека: для записи и храненияинформации, создания архивов, подготовки и редактирования текстов, выполнениячертежных и графических работ, автоматизации производства и сельскогохозяйства. Электронизация и автоматизация производства - важнейшие последствия«второй промышленной» или «микроэлектронной» революции вэкономике развитых стран. С микроэлектроникой непосредственно связано и развитиекомплексной автоматизации, качественно новый этап которой начался послеизобретения в 1971 году микропроцессора - микроэлектронного логическогоустройства, встраиваемого в различные устройства для управления их работой.

Микропроцессорыускорили рост робототехники. Большинство применяемых ныне роботов относится ктак называемому первому поколению, и применяются при сварке, резании,прессовке, нанесении покрытий и т.д. Приходящие им на смену роботы второгопоколения оборудованы устройствами для распознавания окружающей среды. Ароботы-«интеллектуалы» третьего поколения будут «видеть»,«чувствовать», «слышать». Ученые и инженеры среди наиболееприоритетных сфер применения роботов называют атомную энергетику, освоениекосмического пространства, транспорта, торговлю, складское хозяйство,медицинское обслуживание, переработку отходов, освоение богатств океаническогодна. Основная часть роботов работают на электрической энергии, но увеличениепотребления электроэнергии роботами компенсируется снижением энергозатрат вомногих энергоемких производственных процессах за счет внедрения болеерациональных методов и новых энергосберегающих технологических процессов.

Но вернемся к науке.Все новые теоретические разработки после расчетов на ЭВМ проверяютсяэкспериментально. И, как правило, на этом этапе исследования проводятся спомощью физических измерений, химических анализов и т.д. Здесь инструментынаучных исследований многообразны - многочисленные измерительные приборы,ускорители, электронные микроскопы, магниторезонансные томографы и т.д.Основная часть этих инструментов экспериментальной науки работают наэлектрической энергии.

Очень бурноразвивается наука в области средств связи и коммуникаций. Спутниковая связьиспользуется уже не только как средство международной связи, но и в быту - спутниковые антенны не редкость и в нашем городе. Новые средства связи, напримерволоконная техника, позволяют значительно снизить потери электроэнергии впроцессе передачи сигналов на большие расстояния.

Не обошла наука исферу управления. По мере развития НТР, расширения производственной инепроизводственной сфер деятельности человека, все более важную роль вповышении их эффективности начинает играть управление. Из своего родаискусства, еще недавно основывавшегося на опыте и интуиции, управление в нашидни превратилось в науку. Наука об управлении, об общих законах получения,хранения, передачи и переработки информации называется кибернетикой. Этоттермин происходит от греческих слов «рулевой», «кормчий».Он встречается в трудах древнегреческих философов. Однако новое рождение егопроизошло фактически в 1948 году, после выхода книги американского ученогоНорберта Винера «Кибернетика».

До начала«кибернетической» революции существовала только бумажная Информатика,основным средством восприятия которой оставался человеческий мозг, и которая неиспользовала электроэнергию. «Кибернетическая» революция породилапринципиально иную - машинную информатику, соответствующую гигантски возросшимпотокам информации, источником энергии для которой служит электроэнергия.Созданы совершенно новые средства получения информации, ее накопления,обработки и передачи, в совокупности образующие сложную информационнуюструктуру. Она включает АСУ (автоматизированные системы управления),информационные банки данных, автоматизированные информационные базы,вычислительные центры, видеотерминалы, копировальные и фототелеграфныеаппараты, общегосударственные информационные системы, системы спутниковой искоростной волокнисто-оптической связи - все это неограниченно расширило сферуиспользования электроэнергии.

Многие ученыесчитают, что в данном случае речь идет о новой «информационной»цивилизации, приходящей на смену традиционной организации обществаиндустриального типа. Такая специализация характеризуется следующими важными признаками:

· широкимраспространением информационной технологии в материальном и нематериальномпроизводстве, в области науки, образования, здравоохранения и т.д.;

· наличиемширокой сети различных банков данных, в том числе общественного пользования;

· превращениеинформации в один из важнейших факторов экономического, национального и личногоразвития;

· свободнойциркуляцией информации в обществе.

Такой переход отиндустриального общества к «информационной цивилизации» стал возможенво многом благодаря развитию энергетики и обеспечению удобным в передаче иприменении видом энергии - электрической энергией.

Электроэнергияв производстве.

Современное обществоневозможно представить без электрификации производственной деятельности. Уже вконце 80-х годов более 1/3 всего потребления энергии в мире осуществлялось ввиде электрической энергии. К началу следующего века эта доля может увеличитьсядо 1/2. Такой рост потребления электроэнергии прежде всего связан с ростом еепотребления в промышленности. Основная часть промышленных предприятий работаетна электрической энергии. Высокое потребление электроэнергии характерно длятаких энергоемких отраслей, как металлургия, алюминиевая и машиностроительнаяпромышленность.

Электроэнергияв быту.

Электроэнергия в бытунеотъемлемый помощник. Каждый день мы имеем с ней дело, и, наверное, уже непредставляем свою жизнь без нее. Вспомните, когда последний раз вам отключалисвет, то есть в ваш дом не поступала электроэнергия, вспомните, как выругались, что ничего не успеваете и вам нужен свет, вам нужен телевизор, чайники куча других электроприборов. Ведь если нас обесточить навсегда, то мы простовернемся в те давние времена, когда еду готовили на костре и жили в холодныхвигвамах.

Значимостиэлектроэнергии в нашей жизни можно посветить целую поэму, настолько она важна внашей жизни и настолько мы привыкли к ней. Хотя мы уже и не замечаем, что онапоступает к нам в дома, но когда ее отключают, становится очень не комфортно.

Ценитеэлектроэнергию!

Списокиспользуемой литературы.

1. УчебникС.В.Громова «Физика, 10 класс». Москва: Просвещение.

2. Энциклопедическийсловарь юного физика. Состав. В.А. Чуянов, Москва: Педагогика.

3. ЭллионЛ., Уилконс У… Физика. Москва: Наука.

4. КолтунМ. Мир физики. Москва.

5. Источникиэнергии. Факты, проблемы, решения. Москва: Наука и техника.

6. Нетрадиционныеисточники энергии. Москва: Знание.

7. ЮдасинЛ.С… Энергетика: проблемы и надежды. Москва: Просвещение.

8. ПодгорныйА.Н. Водородная энергетика. Москва: Наука.

Лекция № 3

Основные источники электроэнергии

План лекции

1. Основные производители электроэнергии

2. Виды электростанций

3. Автономные источники электроэнергии

Основные производители электроэнергии

Энергетическая система (энергосистема) – совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электроэнергии и теплоты при общем управлении этим режимом.

Особенности электроэнергетики как отрасли обусловлены спецификой ее основного продукта. Электроэнергия по своим свойствам подобна услуге: время ее производства совпадает со временем потребления. Электроэнергетика должна быть готова к выработке, передаче и поставке электроэнергии в момент появления спроса, в том числе в пиковом объеме, располагая для этого необходимыми резервными мощностями и запасом топлива. Чем больше максимальное (хотя бы и кратковременное) значение спроса, тем больше должны быть мощности, чтобы обеспечить готовность к оказанию услуги. (Ситуация изменится, если появятся эффективные технологии хранения электроэнергии. Пока это в основном аккумуляторы разных типов, а также гидроаккумулирующие станции.)

Невозможность хранения электроэнергии в промышленных масштабах предопределяет технологическое единство всего процесса ее производства, передачи и потребления. Вероятно, это единственная отрасль в современной экономике, где непрерывность производства продукции должна сопровождаться таким же непрерывным ее потреблением. В силу этой особенности в электроэнергетике существуют жесткие технические требования к каждому этапу технологического цикла, в том числе по частоте электрического тока и напряжению.

Принципиальной особенностью электрической энергии как продукта, отличающей ее от всех других видов товаров и услуг, является то, что ее потребитель может повлиять на устойчивость работы производителя.

Потребности экономики и общества в электрической энергии существенно зависят от погодных факторов, времени суток, технологических режимов различных производственных процессов в отраслях-потребителях, особенностей домашних хозяйств, даже от программы телепередач. Различия между максимальным и минимальным уровнями потребления определяет потребность в так называемых резервных мощностях, которые включаются только тогда, когда уровень потребления достигает определенного значения.

Структура генерации по видам топлива: уголь - 22%, природный газ – 41%, ГЭС – 16 %, АЭС – 12%, нефть (мазут) – 5%, прочие – 4%.

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. Возможность одновременного производства тепла и электроэнергии привела к распространению в ряде стран централизованного теплоснабжения на ТЭЦ;

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.

Тепловые электростанции (ТЭС), работающие на органическом топливе (уголь, мазут, газ, сланцы, торф), являются на сегодняосновным видом используемых в России энергопроизводителей.

Выбор места размещения тепловых электростанций определяется в основном наличием в данном регионе природных и топливных ресурсов. Мощные ТЭС строятся, как правило, в местах добычи топливных ресурсов или недалеко от крупных центров нефтеперерабатывающей промышленности. Тепловые электростанции, на которых в качестве топлива используются местные виды горючего (сланец, торф, низкокалорийные и многозольные угли), стараются размещать согласно потребности в электроэнергии и, в тоже время, с учётом наличия тех или иных видов топливных ресурсов. Электростанции, работающие на высококалорийном топливе, доставка которого к месту использования экономически целесообразна, размещаются обычно с учётом потребительского спроса на электроэнергию.

Гидроэлектростанции представляют собой специальные сооружения, возведённые в местах перекрытия больших рек плотиной и использующие энергию падающей воды для вращения турбин электрогенератора. Этот способ получения электроэнергии является наиболее экологичным, поскольку обходится без сжигания тех или иных видов топлива и не оставляет никаких вредных отходов после себя.

Атомные электростанции (АЭС) отличаются от тепловых лишь тем, что, если в ТЭС для нагрева воды и получения пара используется горючее топливо, то в АЭС источником нагрева воды служит энергия тепла, выделяемого в процессе ядерной реакции.

В настоящее время большую часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии дают тепловые электростанции, мощность которых может составлять сотни тысяч и миллионы киловатт.

Для совместного и согласованного производства электроэнергии электростанции различного типа объединяют в энергосистемы. Объединение электростанций, а также самих энергосистем между собой позволяет снизить стоимость электроэнергии и гарантирует бесперебойность режима электроснабжения потребителя. Объясняется это тем, что производство и расходование электроэнергии происходят одновременно, и невозможно аккумулировать всю вырабатываемую энергию в каком-либо виде. Поэтому электростанции обязаны иметь определённый резерв по рабочей мощности, необходимый для того, чтобы быть способными в любой момент удовлетворить возросший спрос на электроэнергию со стороны потребителя (на возросшую нагрузку). А величина потребления (спроса на энергию) может резко колебаться при изменении режимов и условий работы потребителей.

В городах в зимний период, например, потребление электроэнергии резко возрастает, а летом - снижается. В сельском хозяйстве, напротив, электрические подстанции больше загружены именно летом, когда производятся сезонные полевые работы. Кроме того, максимальные нагрузки электростанций, расположенных на востоке и западе страны обычно не совпадают из-за разницы во времени. При коллективной работе электростанций они подпитывают друг друга, что обеспечивает их более равномерную загрузку и повышение КПД работы.

На электростанциях, не входящих в состав энергосистемы, не допускается применение мощных узлов по транспортировке и преобразованию электроэнергии. Объясняется это тем, что выход подобного узла из строя моментально парализует работу промышленных предприятий, обесточивает целые районы и грозит аварийной остановкой систем водоснабжения и т. п.

При объединении энергопроизводителей в энергосистемы нет оснований отказываться от таких мощных агрегатных узлов, поскольку нагрузку вышедшего из строя участка линии мгновенно подхватят оставшиеся в рабочем состоянии системы.

Наряду с традиционным способом получения электроэнергии с помощью электростанций всё большую популярность приобретают в последнее время альтернативные источники электроэнергии . К подобным источникам можно отнести, например, ветряные электрогенераторы , которые преобразуют природную силу ветра в электрический ток.

Всё большей популярностью в наше время пользуются и солнечные батареи , которые, в отличие от электрогенератора, используют принцип прямого преобразования энергии солнечных лучей в электрическую энергию (фотоэффект).

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

Первичные энергоносители – это сырьевые материалы в их естественной форме до проведения какой-либо технологической обработки, например каменный уголь, нефть, природный газ и урановая руда. В разговорной речи эти материалы называют просто первичной энергией. К таковой 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, называются невозобновляемыми: 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. Это объясняется относительной дешевизной и широкой распространенностью запасов данного вида топлива. Однако 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. В последние десятилетия ХХ в. появились технологии, позволяющие использовать уголь для производства электроэнергии с большей эффективностью и меньшим ущербом для окружающей среды.

Расширение использования газа в мировой электроэнергетике за последние годы объясняется существенным ростом его добычи, появлением высокоэффективных технологий производства электроэнергии, основанных на применении данного вида топлива, а также ужесточением политики по охране окружающей среды.

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 капиталоемки. 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.

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 возведение гидростанций 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.

Существенное сокращение использования нефти и нефтепродуктов для производства электроэнергии за последние тридцать лет объясняются как ростом стоимости данного вида топлива, высокой эффективностью его применения в других отраслях, так и дороговизной его транспортировки на значительные расстояния, а также возросшими требованиями к экологической безопасности.

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 также геотермальную энергию, которая может иметь серьезное значение для некоторых государств или отдельных регионов (Исландии, Новой Зеландии, в России – для Камчатки, Ставропольского и Краснодарского краев, Калининградской области). Развитие производства электроэнергии на основе возобновляемых ресурсов пока еще требует государственных дотаций.

В конце XX – начале XXI в. резко повысился интерес к биоэнергетическим ресурсам. В отдельных странах (например, в Бразилии) производство электроэнергии на биотопливе составило заметную долю в энергетическом балансе. В США была принята специальная программа субсидирования биотоплива. Но существуют и сомнения в перспективах данного направления электроэнергетики. Они касаются прежде всего эффективности использования таких природных ресурсов, как земля и вода; так, отвод обширных площадей пахотной земли под производство биотоплива внес свой вклад в удвоение цен на продовольственное зерно.

Типы электростанций Тепловые (ТЭС) - 50 % Тепловые (ТЭС) - 50 % Гидроэлектростанции (ГЭС) % Гидроэлектростанции (ГЭС) % Атомные (АЭС) - 15 % Атомные (АЭС) - 15 % Альтернативные источники Альтернативные источники энергии- 2 – 5 % (солнечная энергия, энергия термоядерного синтеза, приливная энергетика, ветроэнергетика) энергии- 2 – 5 % (солнечная энергия, энергия термоядерного синтеза, приливная энергетика, ветроэнергетика)

Генератор электрического тока Генератор преобразует механическую энергию в электрическую Генератор преобразует механическую энергию в электрическую Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции

Рамка с током – основной элемент генератора Вращающаяся часть называется РОТОРОМ (магнит). Вращающаяся часть называется РОТОРОМ (магнит). Неподвижная часть называется СТАТОРОМ (рамка) Неподвижная часть называется СТАТОРОМ (рамка) При вращении рамки, пронизывающий рамку, магнитный поток изменяется во времени, вследствие чего в рамке возникает индукционный ток

Передача электроэнергии Для передачи электроэнергии потребителям используют линии электропередач (ЛЭП). При передаче электроэнергии на расстояние происходят её потери за счёт нагревания проводов (закон Джоуля - Ленца). Способы уменьшения тепловых потерь: 1) Уменьшение сопротивления проводов, но увеличение их диаметра (тяжелы – трудно подвешивать, и дорогостоящи – медь). 2) Уменьшение силы тока путём повышения напряжения.

Влияние тепловых электростанций на окружающую среду ТЭС – приводят к тепловому загрязнению воздуха продуктами сгорания топлива. ГЭС – приводят к затопления огромных территорий, которые выводятся из землепользования. АЭС - может привести к выбросу радиоактивных веществ.

Основные этапы производства, передачи и потребления электроэнергии 1.Механическую энергию преобразуют в электрическую с помощью генераторов на электростанциях. 1.Механическую энергию преобразуют в электрическую с помощью генераторов на электростанциях. 2. Электрическое напряжение повышают для передачи электроэнергии на большие расстояния. 2. Электрическое напряжение повышают для передачи электроэнергии на большие расстояния. 3. Электроэнергию передают под высоким напряжением по высоковольтным линиям электропередач. 3. Электроэнергию передают под высоким напряжением по высоковольтным линиям электропередач. 4. При распределении электроэнергии потребителям электрическое напряжение понижают. 4. При распределении электроэнергии потребителям электрическое напряжение понижают. 5. При потреблении электроэнергии её преобразуют в другие виды энергии – механическую, световую или внутреннюю. 5. При потреблении электроэнергии её преобразуют в другие виды энергии – механическую, световую или внутреннюю.

Электрическая энергия производится на различных масштабах электрических станциях, в основном, с помощью индукционных электромеханических генераторов.

Производство электроэнергии

Существует два основных типа электростанций:

1. Тепловые.

2. Гидравлические.

Это деление вызвано типом двигателя, который вращает ротор генератора. В тепловых электростанциях в качестве источника энергии используется топливо: уголь, газ, нефть, горючие сланцы, мазут. Ротор приводится во вращение паровыми газовыми турбинами.

Самыми экономичными являются тепловые паротурбинные электростанции (ТЭС). Их максимальный КПД достигает 70%. Это с учетом того, что отработанный пар используется на промышленных предприятиях.

На гидроэлектростанциях для вращения ротора используется потенциальная энергия воды. С помощью гидравлических турбин приводится во вращение ротор. Мощность станции будет зависеть от напора и массы воды, проходящей через турбину.

Использование электроэнергии

Электрическая энергия используется почти повсеместно. Конечно, большая часть производимой электроэнергии приходится на промышленность. Помимо этого, крупным потребителем будет являться транспорт.

Многие железнодорожные линии уже давно перешли на электрическую тягу. Освещение жилищ, улиц городов, производственные и бытовые нужды сел и деревень - все это тоже является крупным потребителем электроэнергии.

Огромная часть получаемой электроэнергии превращается в механическую энергию. Все механизмы, используемые в промышленности, приводятся в движение за счет электродвигателей. Потребителей электроэнергии достаточно, и находятся они повсюду.

А производится электроэнергия лишь в немногих местах. Возникает вопрос о передаче электроэнергии, причем на большие расстояния. При передаче на большие расстояния, происходит много потерь электроэнергии. Главным образом, это потери на нагрев электропроводов.

По закону Джоуля-Ленца энергия, расходуемая на нагрев, вычисляется по формуле:

Так как снизить сопротивление до приемлемого уровня практически невозможно, то приходится уменьшать силу тока. Для этого повышают напряжение. Обычно на станциях стоят повышающие генераторы, а в конце линий передач стоят понижающие трансформаторы. И уже с них энергия расходится по потребителям.

Потребность в электрической энергии постоянно увеличивается. Для того чтобы соответствовать запросам на увеличение потребления есть два пути:

1. Строительство новых электростанций

2. Использование передовых технологий.

Эффективное использование электроэнергии

Первый способ требует затрат большого числа строительных и денежных ресурсов. На строительство одной электростанции тратится несколько лет. К тому же, например, тепловые электростанции потребляют много невозобновляемых природных ресурсов, и наносят вред окружающей природной среде.

Сложно переоценить значение электричества. Скорее, мы подсознательно недооцениваем его. Ведь практически вся окружающая нас техника работает от электросети. Об элементарном освещении и говорить не приходится. А вот производство электроэнергии нас практически не интересует. Откуда берется и как сохраняется (и вообще, возможно ли сохранить) электричество? Сколько реально стоит выработка электроэнергии? И насколько это безопасно для экологии?

Экономическое значение

Со школьной скамьи нам известно, что электроэнерговооруженность – один из основных факторов получения высокой производительности труда. Электроэнергетика – стержень всей деятельности человека. Нет ни одной отрасли, которая бы обходилась без нее.

Развитость этой отрасли свидетельствует о высокой конкурентоспособности государства, характеризует темпы роста производства товаров и услуг и почти всегда оказывается проблемным сектором экономики. Затраты на производство электроэнергии зачастую складываются из значительных первоначальных инвестиций, которые будут окупаться долгие годы. Несмотря на все свои ресурсы, Россия не исключение. Ведь значительную долю экономики составляют именно энергоемкие отрасли.

Статистика говорит нам о том, что в 2014 году производство электроэнергии Россией еще не вышло на уровень советского 1990 года. По сравнению с Китаем и США РФ производит - соответственно - в 5 и в 4 раза меньше электричества. Почему так происходит? Специалисты утверждают, что это очевидно: высочайшие непроизводственные расходы.

Кто потребляет электричество

Конечно, ответ очевиден: каждый человек. Но ведь сейчас нас интересуют промышленные масштабы, а значит, те отрасли, которым в первую очередь необходима электроэнергия. Основная доля приходится на промышленность – около 36%; ТЭК (18%) и жилой сектор (чуть больше 15%). Оставшийся 31% выработанного электричества приходится на непроизводственные отрасли, железнодорожный транспорт и потери в сетях.

При этом стоит учитывать, что в зависимости от региона структура потребления существенно меняется. Так, в Сибири действительно более 60% электричества используется промышленностью и ТЭК. А вот в европейской части страны, где расположено большее количество населенных пунктов, самым мощным потребителем оказывается жилой сектор.

Электростанции – основа отрасли

Производство электроэнергии в России обеспечивается почти 600 электростанциями. Мощность каждой превышает 5 МВт. Общая мощность всех электростанций составляет 218 ГВт. Как же мы получаем электроэнергию? В России используются такие типы электростанций:

• тепловые (их доля в общем объеме производства около 68,5%);
• гидравлические (20,3%);
• атомные (почти 11%);
• альтернативные (0,2%).

Когда речь заходит об альтернативных источниках электроэнергии, на ум приходят романические картинки с ветряками и солнечными батареями. Тем не менее, в определенных условиях и местностях это наиболее выгодные виды производства электроэнергии.

Тепловые электростанции

Исторически сложилось так, что тепловые электростанции (ТЭС) занимают основное место в производственном процессе. На территории России обеспечивающие производство электроэнергии ТЭС классифицируются по таким признакам:

• источник энергии – органическое топливо, геотермальная или солнечная энергия;
• вид вырабатываемой энергии – теплофикационная, конденсационная.

Еще одним важнейшим показателем считается степень участия в покрытии графика электронагрузки. Здесь выделяются базовые ТЭС с минимальным временем использования в году 5000 час; полупиковые (их еще называют маневренные) – 3000-4000 час в году; пиковые (используются только в часы максимальной нагрузки) – 1500-2000 час в году.

Технология производства энергии из топлива

Конечно, в основном производство, передача и использование электроэнергии потребителями происходит за счет работающих на органическом топливе ТЭС. Их различают по технологии производства:

• паротурбинные;
• дизельные;
• газотурбинные;
• парогазовые.

Паротурбинные установки самые распространенные. Они работают на всех видах топлива, включая не только уголь и газ, но и мазут, торф, сланцы, дрова и древесные отходы, а также продукты переработки.

Органическое топливо

Самый большой объем производства электроэнергии приходится на Сургутскую ГРЭС-2, мощнейшую не только на территории РФ, но и на весь Евразийский континент. Работая на природном газе, она выдает до 5600 МВт электроэнергии. А из угольных наибольшей мощностью обладает Рефтинская ГРЭС – 3800 МВт. Более 3000 МВт могут давать еще Костромская и Сургутская ГРЭС-1. Следует отметить, что аббревиатура ГРЭС не изменилась со времен Советского Союза. Она расшифровывается, как государственная районная электростанция.

Во время реформы отрасли производство и распределение электроэнергии на ТЭС должно сопровождаться техническим перевооружением действующих станций, их реконструкцией. Также среди первоочередных задач стоит строительство новых генерирующих энергию мощностей.

Электричество из возобновляемых ресурсов

Электроэнергия, полученная с помощью ГЭС, является важнейшим элементом стабильности единой энергосистемы государства. Именно гидроэлектростанции могут за считаные часы увеличить объемы производства электроэнергии.

Большой потенциал российской гидроэнергетики заключается в том, что на территории страны расположено почти 9% мировых запасов воды. Это второе место в мире по наличию гидроресурсов. Такие страны, как Бразилия, Канада и США, остались позади. Производство электроэнергии в мире за счет ГЭС несколько осложняется тем, что наиболее благоприятные места для их строительства существенно удалены от населенных пунктов или промышленных предприятий.

Тем не менее, благодаря электроэнергии, произведенной на ГЭС, стране удается сэкономить около 50 млн тонн топлива. Если бы удалось освоить весь потенциал гидроэнергетики, Россия могла бы экономить до 250 млн тонн. А это уже серьезная инвестиция в экологию страны и гибкую мощность энергетической системы.

Гидростанции

Строительство ГЭС решает множество вопросов, не связанных с выработкой энергии. Это и создание систем водоснабжения и водоотведения целых регионов, и строительство ирригационных сетей, столь необходимых сельскому хозяйству, и контроль паводков и т. д. Последнее, кстати, имеет немаловажное значение для безопасности людей.

Производство, передача и распределение электроэнергии в настоящее время осуществляется 102 ГЭС, единичная мощность которых превышает 100 МВт. Общая же мощность гидроустановок России приближается к 46 ГВт.

Страны по производству электроэнергии регулярно составляют свои рейтинги. Так вот, Россия сейчас занимает 5-е место в мире по выработке электричества из возобновляемых ресурсов. Наиболее значимыми объектами следует считать Зейскую ГЭС (она не только первая из построенных на Дальнем Востоке, но еще и довольно мощная – 1330 МВт), каскад Волжско-Камских электростанций (общее производство и передача электроэнергии составляет более 10,5 ГВт), Бурейскую ГЭС (2010 МВт) и т. д. Отдельно хочется отметить и Кавказские ГЭС. Из нескольких десятков работающих в этом регионе наиболее выделяется новая (уже введенная в эксплуатацию) Кашхатау ГЭС мощностью более 65 МВт.

Особого внимания заслуживают и геотермальные ГЭС Камчатки. Это очень мощные и мобильные станции.

Самые мощные ГЭС

Как уже отмечалось, производство и использование электроэнергии затруднено удаленностью основных потребителей. Тем не менее, государство занято развитием этой отрасли. Не только реконструируются имеющиеся, но и строятся новые ГЭС. Они должны освоить горные реки Кавказа, многоводные уральские реки, а также ресурсы Кольского полуострова и Камчатки. Среди самых мощных отметим несколько ГЭС.

Саяно-Шушенская им. П. С. Непорожнего построена в 1985 году на реке Енисей. Ее нынешняя мощность пока не достигает расчетных 6000 МВт в связи с реконструкцией и ремонтом после аварии 2009 года.

Производство и потребление электроэнергии Красноярской ГЭС рассчитано на Красноярский алюминиевый завод. Это единственный «клиент» введенной в эксплуатацию в 1972 году ГЭС. Ее расчетная мощность - 6000 МВт. Красноярская ГЭС единственная, на которой установлен судоподъемник. Он обеспечивает регулярное судоходство по реке Енисей.

Братская ГЭС введена в эксплуатацию в далеком 1967 году. Ее плотина перекрывает реку Ангару недалеко от города Братска. Как и Красноярская ГЭС, Братская работает на нужды Братского алюминиевого завода. Ему уходят все 4500 МВт электроэнергии. А еще этой гидростанции поэт Евтушенко посвятил поэму.

На реке Ангаре расположилась еще одна ГЭС – Усть-Илимская (мощность чуть более 3800 МВт). Строительство ее началось в 1963 году, а закончилось в 1979-м. Тогда же и началось производство дешевой электроэнергии для основных потребителей: Иркутского и Братского алюминиевых заводов, Иркутского авиастроительного завода.

Волжская ГЭС расположена севернее Волгограда. Ее мощность почти 2600 МВт. Эта крупнейшая в Европе гидроэлектростанция работает с 1961 года. Неподалеку от Тольятти функционирует самая «старая» из крупных ГЭС – Жигулевская. Она введена в эксплуатацию еще в 1957 году. Мощность ГЭС в 2330 МВт покрывает потребности в электричестве Центральной части России, Урала и Средней Волги.

А вот необходимое для нужд Дальнего Востока производство электроэнергии обеспечивает Бурейская ГЭС. Можно сказать, что она совсем еще «юная» - ввод в эксплуатацию состоялся только в 2002 году. Установленная мощность этой ГЭС – 2010 МВт электроэнергии.

Экспериментальные морские ГЭС

Гидроэнергетическим потенциалом обладают и множественные океанические и морские заливы. Ведь перепад высот во время прилива в большинстве из них превышает 10 метров. А это значит, что можно вырабатывать огромное количество энергии. В 1968 году была открыта Кислогубская экспериментальная приливная станция. Ее мощность составляет 1,7 МВт.

Мирный атом

Российская атомная энергетика является технологией полного цикла: от добычи урановых руд до производства электроэнергии. Сегодня в стране работает 33 энергоблока на 10 АЭС. Общая установленная мощность составляет чуть больше 23 МВт.

Максимальное количество электроэнергии АЭС было выработано в 2011 году. Цифра составила 173 млрд кВт/ч. Производство электроэнергии на душу населения атомными станциями выросло на 1,5% по сравнению с предыдущим годом.

Конечно, приоритетным направлением развития атомной энергетики является безопасность эксплуатации. Но и в борьбе с глобальным потеплением АЭС играют значительную роль. Об этом постоянно говорят экологи, которые подчеркивают, что только в России удается сократить выброс углекислого газа в атмосферу на 210 млн тонн в год.

Атомная энергетика получила свое развитие в основном на Северо-Западе и в европейской части России. В 2012 году всеми АЭС было выработано около 17% всей произведенной электроэнергии.

Атомные электростанции России

Крупнейшая АЭС России расположена в Саратовской области. Ежегодная мощность Балаковской АЭС составляет 30 млрд кВт/ч электроэнергии. На Белоярской АЭС (Свердловская обл.) сейчас работает только 3-й блок. Но и это позволяет назвать ее одной из самых мощных. 600 МВт электроэнергии получают благодаря реактору на быстрых нейтронах. Стоит отметить, что это был первый в мире энергоблок с быстрыми нейтронами, установленный для получения электричества в промышленных масштабах.

На Чукотке установлена Билибинская АЭС, которая вырабатывает 12 МВт электроэнергии. А Калининскую АЭС можно считать недавно построенной. Ее первый блок был введен в эксплуатацию в 1984 году, а последний (четвертый) лишь в 2010-м. Суммарная мощность всех энергоблоков составляет 1000 МВт. В 2001 году была построена и введена в эксплуатацию Ростовская АЭС. С момента подключения второго энергоблока - в 2010 году - ее установленная мощность превысила 1000 МВт, а коэффициент использования мощности составил 92,4%.

Энергия ветров

Экономический потенциал ветровой энергетики России оценивается в 260 млрд кВт/ч в год. Это почти 30% всей производимой сегодня электроэнергии. Мощность всех работающих в стране ветроустановок составляет 16,5 МВт энергии.

Особенно благоприятны для развития этой отрасли такие регионы, как побережье океанов, предгорные и горные районы Урала и Кавказа.