Меню

Технология. 9 класс. Авторский коллектив: Е. С. Глозман, Е. Н. Кулакова, Ю. Л. Хотунцев, О. А. Кожина, И. В. Воронин, В. В. Воронина, А. Е. Глозман

Глава 5. Электротехника и автоматика
§ 32. Производство, передача и потребление электрической энергии

Электротехника — область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей. История развития этой науки насчитывает более двух столетий. Зарождением электротехники можно считать изобретение первого электрохимического источника электрической энергии в 1799 г. Именно тогда началось изучение свойств электрического тока, были установлены основные законы электрических цепей, электрические и магнитные явления стали использоваться для практических целей, были разработаны первые конструкции электрических машин и приборов.

Все возрастающая потребность в использовании электрической энергии заставила человечество решать проблемы её централизованного производства, передачи на дальние расстояния, распределения и экономичного использования.

Сегодня электрическая энергия используется в технике связи, автоматике, измерительной технике, навигации. Она применяется для выполнения механической работы, нагрева, освещения, используется в технологических процессах (электролиз), в медицине, биологии, астрономии, геологии и др.

Мы не раз говорили о том, какую исключительно важную роль в жизни современного общества играет электрическая энергия.

Широкое применение электроэнергии обусловлено прежде всего тем, что получение её осуществляется с помощью несложных по конструкции устройств; возможна быстрая и экономичная передача электроэнергии на большие расстояния; она легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую).

Рассмотрим кратко технологии производства, передачи, распределения и использования электрической энергии (рис. 5.1).

Электрический ток производят на электростанциях. Основой каждой электростанции является генератор, который приводит в действие турбина. В зависимости от того, каким образом приводится во вращение турбина, различают тепловые электростанции, гидроэлектростанции, атомные, солнечные, ветровые, приливные, геотермальные электростанции и т. д.

Тип электростанции определяется видом используемых энергоресурсов. Энергоресурсы подразделяют на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые.

Первичные энергоносители — это сырьё до проведения какой-либо технологической обработки, например каменный уголь, нефть, природный газ и урановая руда. Вторичные энергоносители — это продукты переработки первичных, например бензин, мазут, ядерное топливо.

Энергоресурсы, которые могут относительно быстро восстановиться в природе, называются возобновляемыми. К ним относятся дрова, камыш, торф и прочие виды биотоплива, гидропотенциал рек. Ресурсы, не обладающие таким качеством, называются невозобновляемыми. По большей части невозобновляемые ресурсы являются полезными ископаемыми, это уголь, сырая нефть, природный газ, нефтеносный сланец, урановая руда. Энергия Солнца, ветра, морских приливов относится к неисчерпаемым возобновляемым энергетическим ресурсам.

Основным типом электрических станций в России являются тепловые (ТЭС). На них вырабатывается около 80% электрической энергии.

Тепловая электрическая станция (ТЭС) имеет три основных элемента: паровой котёл, паровую турбину и генератор электрической энергии (рис. 5.2).

В топку котла подаётся топливо (уголь, природный газ, мазут), где при его сгорании вода нагревается до кипения и превращается в пар. Пар из котла под давлением подаётся на лопасти паровой турбины и приводит во вращение её ротор. Таким образом, энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, которая преобразуется в механическую энергию вращения турбины. Механическая энергия ротора турбины посредством вала передаётся электрическому генератору, где и превращается в электрическую энергию. Все эти энергетические преобразования происходят со значительными потерями, и коэффициент полезного действия тепловой электростанции равен примерно 40%. В целях повышения КПД тепловых электрических станций осуществляют предварительный отбор пара в турбинах для снабжения потребителей горячей водой. Это даёт возможность повысить общий КПД тепловой электростанции до 60%. Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

Гидроэлектрические станции (ГЭС) строят на реках (рис. 5.3).

Для их работы необходима разность уровней водного потока, что обычно достигается созданием плотины и водохранилища.

Гидроэлектростанция имеет три основных элемента: плотину, гидравлическую турбину, электрический генератор с вертикальным валом. Вода с верхнего уровня по каналу поступает на лопатки ротора турбины и приводит его во вращение. При этом кинетическая энергия водного потока в турбине преобразуется в механическую энергию ротора турбины, которая и передаётся электрическому генератору вертикальным валом.

Атомные электростанции (АЭС) относятся также к тепловым электрическим станциям (рис. 5.4), но у них паровой котёл заменён атомным реактором. Источником первичной энергии в реакторе является ядерная энергия, освобождаемая при делении ядер урана. Теплота, выделяемая в активной зоне реактора теплоносителем (вода, газ или жидкий металл), по трубопроводу передастся в парогенератор.

Циркуляция теплоносителя обеспечивается насосом. В парогенераторе теплоноситель омывает трубы змеевика, в котором вода нагревается и превращается в пар. Пар по трубе поступает в турбину, которая вращает ротор генератора.

Все перечисленные электрические станции в процессе производства электрической энергии отрицательно влияют на окружающую среду, хотя и в разной степени. Тепловые электрические станции при сжигании топлива выбрасывают в атмосферу вредные продукты сгорания топлива (оксиды углерода, серы, азота), которые пагубно действуют на животный и растительный мир и могут являться причиной кислотных дождей, которые уничтожают урожаи. При этом в атмосферу выбрасывается двуокись углерода, что приводит к усилению парникового эффекта и изменению климата на Земле.

Кроме того, 60% первичной энергии топлива превращается в теплоту и рассеивается в окружающем пространстве.

Атомные электрические станции не имеют газовых выбросов, но несут в себе опасность возможности утечки радиоактивных веществ и повышения радиоактивного фона в окружающей среде. Большие трудности возникают с захоронением отработанного топлива. Особенно опасны аварии на атомных электрических станциях. Тепловые же выбросы у этих станций аналогичны выбросам станций на органическом горючем (угле, торфе и т. д.).

На гидроэлектростанциях преобразование первичной энергии в электрическую не оказывает вредного воздействия на воздушную среду. Но создание плотин ведёт к обширному затоплению лучших пойменных земель, и тем самым наносится огромный вред сельскому хозяйству. Строительство плотин нарушает проход рыбы на нерест и ведёт к сокращению рыбных богатств, а создание водохранилищ перед плотинами нарушает микроклимат в прилегающем районе.

Экологически чистыми можно считать солнечные преобразователи энергии, в которых солнечная энергия непосредственно превращается в электрическую. Но, к сожалению, эти станции пока имеют экспериментальный характер.

Ещё одна проблема, которая возникает при работе электростанций, — истощение природных ресурсов. Человечество работает над тем, чтобы отказаться от электростанций, работающих на невозобновляемых ресурсах, таких как уголь, нефть и другие виды топлива, и использовать электростанции на возобновляемых ресурсах: солнечной энергии, энергии ветра, геотермальных источников, приливов и т. п.

Электроэнергию, выработанную на электростанции, необходимо передать потребителю. Вам хорошо известно, что электрическая энергия поступает к потребителям по проводам линий электропередачи или по кабелю. Передаётся электрическая энергия на большие расстояния при высоком напряжении, в десятки тысяч раз превышающем напряжение у вас дома. Преобразуется напряжение до необходимых значений на трансформаторных подстанциях (рис. 5.5).

Назвать потребителей электрической энергии для вас не составит труда, это тепловые, осветительные и другие бытовые приборы, промышленные и транспортные предприятия.

Вопросы и задания:

1. Какие виды электростанций вам известны?

2. Узнайте, какая электростанция снабжает электроэнергией вашу квартиру (дом). Опишите принцип её работы. Объясните, почему электростанция именно этого типа построена в вашем районе.

3. Какие электробытовые приборы используются у вас дома; в школе?

4. Какими видами электротранспорта вы пользуетесь?

Задание

Найдите в Интернете и других источниках информации характеристики современных тепловых и атомных электростанций, солнечных и ветроэлектростанций, гидроэлектростанций. Составьте сравнительную таблицу.

Задание

Сделайте фотоальбом «Путь электрического тока от электростанции до квартиры», используя собственные фотографии и иллюстрации, найденные в Интернете.