11 класс
§ 38. Производство, передача и использование электрической энергии
Производство электроэнергии.
В зависимости от вида энергии, которая преобразуется в электрическую, различают три основных типа электростанций: тепловые, атомные и гидроэлектростанции.
На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания. Наиболее экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (ТЭС) (рис. 6.35).
В паровых котлах 1 таких станций химическая энергия топлива превращается в энергию пара 2. В турбинах 3 энергия пара преобразуется в механическую, а затем в генераторе 4, имеющем общий вал с турбиной, превращается в электрическую энергию. От генератора энергия направляется на шины распределительного устройства станции. Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор 5, который охлаждается проточной водой 6, и конденсат 7 в виде горячей дистиллированной воды возвращается в котёл. Такие станции принято называть тепловыми конденсационными станциями.
Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Причём большая часть энергии теряется вместе с горячим отработавшим паром. Специальные тепловые электростанции, так называемые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) (рис. 6.36), позволяют значительную часть энергии отработавшего пара использовать для отопления и технологических процессов в промышленных предприятиях, а также для бытовых нужд (отопление, горячее водоснабжение). В результате КПД ТЭЦ достигает 60—70%.
На гидроэлектростанциях (ГЭС) энергия движущейся воды в гидротурбине превращается в механическую, а затем в генераторе преобразуется в электрическую энергию (рис. 6.37).
На рисунке 6.38 приведена упрощённая схема гидроэлектростанции: 1 — генератор; 2 — трансформатор; 3 — турбина; 4 — лопатки направляющего аппарата.
* Бьеф — часть реки, канала, водохранилища или другого водного объекта, примыкающая к гидротехническому сооружению.
Мощность станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней воды (напора) и от массы воды, проходящей через турбины в секунду (расхода воды).
Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.
На атомных электростанциях (АЭС) технология производства электрической энергии почти такая же, как и на ТЭС. Разница состоит в том, что на АЭС энергию для преобразования воды в пар даёт ядерный реактор. Более подробно работа АЭС, устройство и принцип действия ядерного реактора будут рассмотрены в главе «Физика атомного ядра. Элементарные частицы».
Передача и распределение электроэнергии.
Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода ЛЭП.
Передаваемая мощность P и дальность передачи энергии l определяются условиями электропередачи. Эти величины изменить невозможно. Удельное сопротивление ρ зависит от материала, из которого изготовлены провода. Нa практике используют материалы с наименьшим значением ρ (медь, алюминий). Увеличение площади поперечного сечения проводов малоэффективно, значительное их утолщение невозможно из-за большой массы и стоимости линии. Одним из эффективных способов уменьшения потерь электрической энергии является увеличение напряжения в линии электропередачи.
Чем длиннее линия электропередачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, например, в городах электроэнергию при напряжении 220 В передают на расстояние не более 200 м, а при напряжении 6 кВ — на расстояние до 5 км. В высоковольтной ЛЭП «Волжская ГЭС — Москва» используют напряжение, равное 500 кВ.
Рассмотрим схему передачи электроэнергии на большие расстояния (рис. 6.39).
Генераторы, устанавливаемые на электростанциях, рассчитаны на напряжение, обычно не превышающее 25 кВ. При передаче энергии от мощных электростанций электрический ток по шинам поступает на повышающие трансформаторные подстанции. Они состоят из силовых трансформаторов, расположенных обычно на открытом воздухе недалеко от генераторов, распределительного устройства и щита управления. После повышения напряжения на подстанции до 35, ПО, 220, 500, 750 кВ энергия направляется в район потребителя на понижающие трансформаторные подстанции, где напряжение уменьшается до 6—10 кВ.
Высоковольтные ЛЭП (рис. 6.40) — это в основном «воздушные» линии.
Их изготавливают из голых алюминиевых, сталеалюминиевых или медных проводов, укреплённых на гирляндах изоляторов, которые подвешиваются на металлических и железобетонных опорах. Расстояние между проводами выбирается с таким расчётом, чтобы была исключена возможность пробоя воздушного промежутка между проводами при раскачивании их ветром. По вершинам опор прокладываются заземлённые стальные оцинкованные тросы. Они предназначены для предохранения линии от атмосферного электричества. Трос, расположенный над проводами, принимает на себя атмосферные электрические разряды и отводит электрические заряды в землю. C понижающих трансформаторных подстанций по сети с напряжением 6—10 кВ энергия частично направляется к высоковольтным потребителям, а частично на понижающие трансформаторные подстанции, где напряжение понижается до 220—380 В. Далее по сети с напряжением 220 и 380 В она подводится к потребителям.
Способы передачи электроэнергии.
В настоящее время для производства и передачи электроэнергии целесообразно использовать как постоянный, так и переменный ток. Переменный ток достаточно легко преобразовать с помощью трансформатора. Современные генераторы переменного тока просты по конструкции, дёшевы в производстве, их КПД достигает 99%. К недостаткам переменного тока относится низкая пропускная способность линий электропередачи и особенно кабельных линий из-за наличия ёмкости между проводами, проводами и землёй. Устойчивая электропередача переменным током практически возможна на расстояниях до 450—500 км при напряжении, равном 400—500 кВ.
Наиболее перспективным способом передачи электроэнергии па дальние расстояния является использование постоянного тока. Линии электропередачи постоянного тока позволяют передавать по тем же проводам большую энергию, так как постоянное напряжение между проводами можно сделать равным допустимому амплитудному напряжению линии переменного тока. При передаче электроэнергии постоянным током исчезают затруднения, связанные с учётом индуктивного сопротивления и ёмкости линии. Это особенно важно при передаче электроэнергии на большие расстояния.
Трудности, связанные с преобразованием постоянного тока в переменный и обратно, успешно преодолеваются.
Возобновляемые источники энергии.
В понятие «возобновляемые источники энергии» (ВИЭ) включают следующие формы энергии: солнечная, геотермальная, ветровая, энергия морских волн, течений, приливов и океана, энергия биомассы, гидроэнергия и др. Основной принцип использования возобновляемой энергии заключается в её извлечении из постоянно происходящих в окружающей среде процессов и предоставлении для технического применения.
В отличие от топливной энергетики (или с использованием ископаемого топлива), при использовании ВИЭ практически не происходит выброса парниковых газов, оксидов серы и азота. Поэтому ВИЭ относят к экологически чистой энеретике. Отметим также неисчерпаемость ВИЭ в сравнении с нефтью, газом, углём, сырьём для ядерной энергетики.
Кратко рассмотрим некоторые виды экологически чистой энергетики. Солнечная энергетика (гелиоэнергетика) основывается на преобразовании электромагнитного солнечного излучения в электрическую или тепловую энергию. В настоящее время используется лишь малая часть солнечной энергии из-за того, что существующие солнечные батареи (рис. 6.41) имеют сравнительно низкий КПД и очень дороги в производстве.
Геотермальные электростанции (геоТЭС) представляют собой теплоэлектростанции, использующие в качестве теплоносителя воду из горячих геотермальных источников. Отсутствие необходимости нагрева воды позволяет считать геоТЭС более экологически чистыми, чем традиционные ТЭС. Геотермальные станции строят в вулканических районах, где на относительно небольших глубинах вода нагревается выше температуры кипения и просачивается к поверхности, иногда выбрасываясь в виде гейзеров.
Ветровая энергетика основана на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве.
Такое преобразование может осуществляться в ветрогенераторе (для получения электрической энергии, рис. 6.42), ветряной мельнице (для преобразования в механическую энергию), парусе (для использования на транспорте) и др.
Ветровая энергия сильно рассеяна в пространстве, поэтому необходимо строить ветряные энергоустановки, способные постоянно работать с высоким КПД. В настоящее время разработаны и действуют так называемые циклонные электростанции, в которых тёплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создаёт искусственный «циклон», который вращает турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей, и обычных ветрогенераторов.
Вопросы:
1. Как устроена тепловая паротурбинная электростанция?
2. Какие преобразования энергии происходят на гидроэлектростанциях?
3. Назовите основные способы уменьшения потерь в ЛЭП.
4. Опишите схему передачи электроэнергии на большие расстояния, используя рисунок 6.40.
5. Какими преимуществами и недостатками обладают ЛЭП переменного тока?
6. Приведите примеры экологически чистых видов энергетики.
Вопросы для обсуждения:
1. Для уменьшения потерь на выделение количества теплоты в ЛЭП повышают напряжение, уменьшая силу тока. Не противоречит ли это формуле 
2. Почему потери электроэнергии, вызванные коронным разрядом, больше при её передаче переменным током, чем при передаче постоянным?
