Производство, передача и использование электрической энергии (презентация). Производство электроэнергии в России

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.

Переменное напряжение можно преобразовывать - повышать или понижать.

Устройства, с помощью которых можно преобразовывать напряжение называются трансформаторами. Работа трансформаторов основана наявлении электромагнитной индукции.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника, на который надеты две катушки .

Первичной обмоткой называется катушка, подключенная к источнику переменного напряжения U 1 .

Вторичной обмоткой называется катушка, которую можно подключать к приборам, потребляющим электрическую энергию .

Приборы, потребляющие электрическую энергию, выполняют роль нагрузки, и на них создается переменное напряжение U 2 .

Если U 1 > U 2 , то трансформатор называется понижающим, а еслиU 2 > U 1 - то повышающим.

Принцип работы

В первичной обмотке создается переменный ток, следовательно, в ней создается переменный магнитный поток. Этот поток замыкается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает каждый виток обеих обмоток. В каждом из витков обеих обмоток появляется одинаковая ЭДС индукции e i 0 

Если n 1 и n 2 - число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно, то

ЭДС индукции в первичной обмотке e i 1 = n 1 * e i 0  ЭДС индукции во вторичной обмотке e i 2 = n 1 * e i 0 

где e i 0  - ЭДС индукции, возникающая в одном витке вторичной и первичной катушки .

1. Передача электроэнергии

П
ередача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой.Потери энергии (мощности) на нагревание проводов можно рассчитать по формуле

Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется переменный ток частотой 50 Гц. На рисунке представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии

41. Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Скорость электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн. Идеи теории Максвелла

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку законаэлектромагнитной индукции, открытого Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле .

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжаться и захватывать все новые области пространства.

Вывод:

Существует особая форма материи – электромагнитное поле – которое состоит из порождающих друг друга вихревых электрического и магнитного полей.

Электромагнитное поле характеризуется двумя векторными величинами – напряженностью Е вихревого электрического поля и индукцией В магнитного поля .

Процесс распространения изменяющихся вихревых электрического и магнитного полей в пространстве называется электромагнитной волной.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла)

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Переменный ток- это электрический ток, сила которого каким-либо образом меняется со временем.

Трансформатор- это устройство для повышения или понижения переменного напряжения.

1. Производство:

Тепловая электростанция (ТЭС), электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива.

На тепловых электростанциях химическая энергия топлива преобразуется сначала в механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут.

2. Передача:

Трансформатор -устройство, которое позволяет, как повышать, так и понижать напряжение. Преобразование переменного тока осуществляется с помощью трансформаторов. Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками. Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в железном сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке.

3. Потребление:

Электронизация и автоматизация производства - важнейшие последствия "второй промышленной" или "микроэлектронной" революции в экономике развитых стран. С микроэлектроникой непосредственно связано и развитие комплексной автоматизации, качественно новый этап которой начался после изобретения в 1971 году микропроцессора - микроэлектронного логического устройства, встраиваемого в различные устройства для управления их работой. Очень бурно развивается наука в области средств связи и коммуникаций. Спутниковая связь используется уже не только как средство международной связи, но и в быту - спутниковые антенны не редкость и в городе.

Проблемы электросбережения. Россия имеет огромные перспективы по энергосбережению и одновременно является одной из самых расточительных в мире стран. Энергосбережение напрямую зависит от рационального использования существующих энергоресурсов. Огромные потери энергии характерны жилищно-коммунальному хозяйству. По подсчётам экспертов, около 70% теплопотерь происходит из-за халатного отношения потребителей. Часто в квартирах установлены батареи без регулировки мощности, вследствие чего они работают на всю и жильцам приходится открывать окна для снижения температуры в помещении. Для реализации потенциала энергосбережения в ЖКХ предполагается ввести повсеместное внедрение приборов учета, перейти к обязательным стандартам энергоэффективности для новых и реконструируемых зданий, модернизировать системы теплоснабжения зданий и сооружений, внедрить энергосберегающие системы освещения, внедрение энергосберегающих приборов и технологий на котельных, очистных сооружениях, предприятиях водоканала, предоставление бюджетным организациям прав распоряжения средствами, сэкономленными в результате реализации проектов по энергосбережению на срок до 5 лет и другое.

Техника безопасности в обращении с электрическим током. Опасным для человека считается ток от 25 В. В данной ситуации нужно четко отличать напряжение и силу тока. Убивает именно последняя. Для примера: голубые искорки статических разрядов имеют напряжение 7000 В, но ничтожную силу, тогда как напряжение розетки в 220 В, но с силой тока 10-16 А может стать причиной смерти. Более того, прохождение тока с силой 30-50 мА через сердечную мышцу уже может вызвать фибрилляцию (трепетание) сердечной мышцы и рефлекторную остановку сердца. Чем это закончится, вполне понятно. Если ток не заденет сердце (а пути электричества в человеческом организме весьма причудливы), то его воздействие может вызвать паралич дыхательных мышц, что тоже ничего хорошего не сулит.

Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Электромагнитное поле - особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве.

Скорость электромагнитных волн. Длина волны есть частное от деления скорости на частоту.

Принципы радиосвязи. Принципы радиосвязи заключаются в следующем. Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.

Производство электроэнергии в мире в наши дни играет огромную роль. Она - стержень государственной экономики любой страны. Гигантские суммы денег ежегодно вкладываются в производство и использование электроэнергии и научные исследования, связанные с этим. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с ее действием, поэтому современный человек должен иметь представление об основных процессах ее выработки и потребления.

Как получают электроэнергию

Производство электроэнергии осуществляется из других ее видов при помощи специальных устройств. Например, из кинетической. Для этого применяют генератор - прибор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию.

Другие существующие способы ее получения - это, например, преобразование излучения светового диапазона фотоэлементами или солнечной батареей. Или производство электроэнергии путем химической реакции. Или использование потенциала радиоактивного распада либо теплоносителя.

Вырабатывают ее на электростанциях, которые бывают гидравлическими, атомными, тепловыми, солнечными, ветряными, геотермальными и проч. В основном все они работают по одной схеме - благодаря энергии первичного носителя определенным устройством вырабатывается механическая (энергия вращения), передаваемая затем в специальный генератор, где и вырабатывается электроток.

Основные виды электростанций

Производство и распределение электроэнергии в большинстве стран ведутся путем строительства и эксплуатации ТЭС - тепловых электростанций. Их функционирование требует большого запаса органического топлива, условия добычи которого из года в год усложняются, а стоимость растет. Коэффициент полезной отдачи топлива в ТЭС не слишком высок (в пределах 40%), а число экологически грязных отходов велико.

Все эти факторы снижают перспективность такого способа выработки.

Наиболее экономично производство электроэнергии гидроэнергетическими установками (ГЭС). КПД их доходит до 93%, себестоимость 1 кВт/ч впятеро дешевле других способов. Природный источник энергии таких станций практически неисчерпаем, количество работников - минимально, ими легко управлять. По развитию данной отрасли наша страна - признанный лидер.

К сожалению, темпы развития ограничены серьезными затратами и длительными сроками строительства ГЭС, связанными с их удаленностью от больших городов и магистралей, сезонным режимом рек и трудными условиям работы.

Кроме того, гигантские водохранилища ухудшают экологическую ситуацию - затапливают ценные земли вокруг водоемов.

Использование атомной энергии

В наши дни производство, передача и использование электроэнергии производятся атомными электростанциями - АЭС. Они устроены практически по тому же принципу, что и тепловые.

Главный их плюс - малое количество требующегося топлива. Килограмм обогащенного урана по своей производительности эквивалентен 2,5 тыс. тонн угля. Именно поэтому АЭС теоретически можно строить в любом районе независимо от наличия близлежащих топливных ресурсов.

В настоящее время запасы урана на планете значительно больше, чем минерального горючего, а воздействие АЭС на окружающую природу минимально при условии безаварийной работы.

Огромный и серьезный недостаток АЭС - вероятность страшной аварии с непредсказуемыми последствиями, отчего для их бесперебойной работы требуются очень серьезные меры по обеспечению безопасности. К тому же производство электроэнергии на АЭС регулируется с трудом - как для их запуска, так и для полной остановки понадобится несколько недель. И практически отсутствуют технологии утилизации опасных отходов.

Что такое электрический генератор

Производство и передача электроэнергии осуществимы благодаря электрогенератору. Это устройство преобразования любых видов энергии (тепловой, механической, химической) в электрическую. Принцип его действия построен на процессе электромагнитной индукции. ЭДС индуктируется в проводнике, который движется в магнитном поле, пересекает его силовые магнитные линии. Таким образом, проводник может служить источником электроэнергии.

Основа любого генератора - система электромагнитов, формирующих магнитное поле, и проводников, которые его пересекают. Большинство всех генераторов переменного тока основаны на применении вращающегося магнитного поля. Его неподвижную часть именуют статором, подвижную - ротором.

Понятие трансформатора

Трансформатор - электромагнитное статическое устройство, предназначенное для преобразования одной системы тока в другую (вторичную) при помощи электромагнитной индукции.

Первые трансформаторы в 1876 г. были предложены П. Н. Яблочковым. В 1885 г. венгерскими учеными разработаны промышленные однофазные приборы. В 1889-1891 гг. изобретен трехфазный трансформатор.

Простейший однофазный трансформатор состоит из стального сердечника и пары обмоток. Применяются они для распределения и передачи электроэнергии, ведь генераторы электростанций вырабатывают ее при напряжении от 6 до 24 кВт. Передавать ее выгодно при больших значениях (от 110 до 750 кВт). Для этого на электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы.

Как используется электроэнергия

Ее львиная доля идет на снабжение электричеством предприятий промышленности. Производство потребляет до 70% всей вырабатываемой в стране электроэнергии. Эта цифра значительно разнится для отдельных регионов в зависимости от климатических условий и уровня индустриального развития.

Другая статья расходов - снабжение электротранспорта. От электросетей ЭЭС работают подстанции городского, междугороднего, промышленного электротранспорта, использующего постоянный ток. Для транспорта на переменном токе применяются понижающие подстанции, которые тоже потребляют энергию электростанций.

Другой сектор потребления электроэнергии - коммунально-бытовое снабжение. Потребителями здесь являются здания жилых районов любых населенных пунктов. Это дома и квартиры, административные здания, магазины, заведения образования, науки, культуры, здравоохранения, общественного питания и т. д.

Как происходит передача электроэнергии

Производство, передача и использование электроэнергии - три кита отрасли. Причем передать полученную мощность потребителям - самая сложная задача.

"Путешествует" она главным образом посредством ЛЭП - воздушных линий электропередачи. Хотя все чаще начинают применять кабельные линии.

Вырабатывается электроэнергия мощными агрегатами гигантских электростанций, а потребителями ее служат относительно небольшие приёмники, разбросанные по обширной территории.

Существует тенденция концентрировать мощности, связанная с тем, что с их увеличением уменьшаются относительные затраты возведения электростанций, а следовательно, и себестоимость получаемого киловатт-часа.

Единый энергокомплекс

На принятие решения о размещении крупной электростанции влияет ряд факторов. Это вид и количество имеющихся в наличии ресурсов, доступность транспортировки, климатические условия, включенность в единую энергосистему и т. д. Чаще всего электростанции строятся вдали от крупных очагов потребления энергии. Эффективность ее передачи на немалые расстояния влияет на успешную работу единого энергетического комплекса огромной территории.

Производство и передача электроэнергии должны происходить с минимальным количеством потерь, главная причина которых - нагрев проводов, т. е. увеличение внутренней энергии проводника. Для сохранения передаваемой на большие расстояния мощности нужно пропорционально увеличить напряжение и уменьшить в проводах силу тока.

Что такое ЛЭП

Математические расчеты показывают, что величина потерь в проводах на нагрев обратно пропорциональна квадрату напряжения. Именно поэтому электроэнергию на большие расстояния передают при помощи ЛЭП - высоковольтных линий электропередач. Между их проводами напряжение исчисляется десятками, а порой сотнями тысяч вольт.

Электростанции, расположенные неподалеку друг от друга, объединяются в единую энергосистему именно при помощи ЛЭП. Производство электроэнергии в России и ее передача ведутся путем централизованной энергетической сети, в которую входит огромное количество электростанций. Единое управление системой гарантирует постоянную подачу потребителям электроэнергии.

Немного истории

Как формировалась единая электрическая сеть в нашей стране? Попробуем заглянуть в прошлое.

До 1917 года производство электроэнергии в России велось недостаточными темпами. Страна отставала от развитых соседей, что отрицательно сказывалось на экономике и обороноспособности.

После Октябрьской революции проект электрификации России разрабатывался Государственной комиссией по электрификации России (сокращенно ГОЭЛРО), возглавляемой Г. М. Кржижановским. С ней сотрудничали более 200 ученых и инженеров. Контроль осуществлялся лично В. И. Лениным.

В 1920 г. был готов «План электрификации РСФСР», рассчитанный на 10-15 лет. Он включал восстановление прежней энергосистемы и строительство 30 новых электростанций, оборудованных современными турбинами и котлами. Главная идея плана - задействовать гигантские отечественные гидроэнергоресурсы. Предполагались электрификация и коренная реконструкция всего народного хозяйства. Упор делался на рост и развитие тяжёлой промышленности страны.

Знаменитый план ГОЭРЛО

Начиная с 1947 года СССР стал первым в Европе и вторым в мире производителем электроэнергии. Именно благодаря плану ГОЭЛРО была сформирована в кратчайшие сроки вся отечественная экономика. Производство и потребление электроэнергии в стране вышло на качественно новый уровень.

Выполнение намеченного стало возможным благодаря сочетанию сразу нескольких важных факторов: высокого уровня научных кадров страны, сохранившегося с дореволюционных времен материального потенциала России, централизации политической и экономической власти, свойству российского народа верить "верхам" и воплощать провозглашаемые идеи.

План доказал эффективность советской системы централизованной власти и государственного управления.

Результаты плана

В 1935 году принятая программа была выполнена и перевыполнена. Построено 40 электростанций вместо запланированных 30, введено мощностей почти втрое больше, чем предусматривалось по плану. Возведено 13 электроцентралей мощностью по 100 тыс. кВт каждая. Общая мощность российских ГЭС составила около 700 000 кВт.

В эти годы были возведены крупнейшие объекты стратегического значения, такие как всемирно известная Днепровская ГЭС. По суммарным показателям Единая советская энергосистема превзошла аналогичные системы самых развитых стран Нового и Старого Света. Производство электроэнергии по странам Европы в те годы значительно отставало от показателей СССР.

Развитие села

Если до революции в деревнях России электричества практически не существовало (небольшие электростанции, устанавливаемые крупными землевладельцами не в счет), то с реализацией плана ГОЭЛРО благодаря использованию электроэнергии сельское хозяйство получило новый толчок к развитию. На мельницах, лесопилках, зерноочистительных машинах появились электродвигатели, что способствовало модернизации отрасли.

Помимо того, электричество прочно вошло в быт горожан и селян, в буквальном смысле вырвав "темную Россию" из мрака.

Передача электроэнергии - процесс, который заключается в поставке электроэнергии потребителям. Электричество производится на удаленных источниках производства (электростанциях) огромными генераторами, использующими уголь, природный газ, воду, атомный распад или ветер.

Ток передается через трансформаторы, которые повышают его напряжение. Именно высокое напряжение экономически выгодно при передаче энергии на большие расстояния. Высоковольтные линии электропередач простираются по всей стране. По ним электрический ток достигает подстанций у больших городов, где понижают его напряжение и отправляют его на небольшие (распределительные) линии электропередач. Электрический ток путешествует по распределительным линиям в каждом районе города и попадает в трансформаторные будки. Трансформаторы уменьшают напряжение до определенного стандартного значения, которое безопасно и необходимо для работы бытовых устройств. Ток попадает в дом по проводам и проходит через счетчик, показывающий количество расходуемой энергии.

Трансформатор - статическое устройство, которое преобразует переменный электрический ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, не изменяя его частоту. Он может работать только на переменном токе.

Основные конструкционные части трансформатора

Устройство состоит из трех основных частей:

1. Первичная обмотка трансформатора. Число витков N 1 .
2. Сердечник замкнутой формы из магнитомягкого материала (например, сталь).
3. Вторичная обмотка. Число витков N 2 .

На схемах трансформатор изображают таким образом:

Принцип работы

Работа силового трансформатора основывается на законе электромагнитной индукции Фарадея.

Между двумя раздельными обмотками (первичной и вторичной), которые связаны общим магнитным потоком, проявляется взаимная индукция. Взаимная индукция - процесс, с помощью которого первичная обмотка индуцирует напряжение во вторичной обмотке, расположенной в непосредственной близости от нее.

На первичную обмотку поступает переменный ток, который производит магнитный поток, при подключении к источнику питания. Магнитный поток проходит через сердечник и так как он меняется в течение времени, то возбуждает во вторичной обмотке ЭДС индукции. Напряжение тока на второй обмотке может быть ниже, чем на первой, тогда трансформатор называется понижающим. У повышающего трансформатора на вторичной обмотке напряжение тока выше. Частота тока остается неизменной. Эффективное понижение или повышение напряжения не может увеличить электрическую мощность, поэтому на выходе трансформатора сила тока соответственно пропорционально повышается или понижается.

Для амплитудных значений напряжения на обмотках можно записать следующее выражение:

k - коэффициент трансформации.

Для повышающего трансформатора k>1, а для понижающего - k<1.

Во время работы реального устройства всегда существуют потери энергии:

• происходит нагревание обмоток;
• затрачивается работа на намагничивание сердечника;
• в сердечнике возникают токи Фуко (они оказывают тепловое действие на массивный сердечник).

Для уменьшения потерь при нагревании, трансформаторные сердечники делают не из цельного куска металла, а из тонких пластин, между которыми располагается диэлектрик.