Виробництво і використання електричної енергії
У наш час рівень виробництва і споживання енергії - один з найважливіших показників розвитку виробничих сил суспільства. Провідну роль при цьому відіграє електроенергія - сама універсальна і зручна для використання форма енергії. Якщо споживання енергії в світі збільшується в 2 рази приблизно за 25 років, то збільшення споживання електроенергії в 2 рази відбувається в середньому за 10 років. Це означає, що все більше і більше процесів, пов'язаних з витрачанням енергоресурсів, перекладається на електроенергію.
Виробництво електроенергії. Виробляється електроенергія на великих і малих електричних станціях в основному за допомогою електромеханічних індукційних генераторів. Існує два основних типи електростанцій: теплові і гідроелектричним. Розрізняються ці електростанції двигунами, що обертають ротори генераторів.
На теплових електростанціях джерелом енергії є паливо: вугілля, газ, нафта, мазут, горючі сланці. Ротори електричних генераторів приводяться в обертання паровими і газовими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння. Найбільш економічні великі теплові двигуни електростанції (скорочено: ТЕС). Більшість ТЕС нашої країни використовує як паливо вугільний пил. Для вироблення 1 кВт • год електроенергії витрачається кілька сот грамів вугілля. У паровому котлі понад 90% виділеної паливом енергії передається пару. У турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору. Вал турбіни жорстко з'єднаний з валом генератора. Парові турбогенератори вельми швидкохідні: число оборотів ротора становить кілька тисяч в хвилину.
З курсу фізики 10 класу відомо, що ККД теплових двигунів збільшується з підвищенням температури нагрівача і відповідно початкової температури робочого тіла (пари, газу). Тому що надходить в турбіну пар доводять до високих параметрів: температуру - майже до 550 ° С і тиск - до 25 МПа. Коефіцієнт корисної дії ТЕС досягає 40%. Велика частина енергії втрачається разом з гарячим відпрацьованим парою.
Теплові електростанції - так звані теплоелектроцентралі (ТЕЦ) - дозволяють значну частину енергії відпрацьованого пара використовувати на промислових підприємствах і для побутових потреб (для опалення і гарячого водопостачання). В результаті ККД ТЕЦ досягає 60-70%. В даний час в Росії ТЕЦ дають близько 40% всієї електроенергії і забезпечують електроенергією і теплом сотні міст.
На гідроелектростанціях (ГЕС) для обертання роторів генераторів використовується потенційна енергія води. Ротори електричних генераторів приводяться в обертання гідравлічними турбінами. Потужність такої станції залежить від створюваної греблею різниці рівнів води (напір) і від маси води, що проходить через турбіну в кожну секунду (витрата води).
Значну роль в енергетиці грають атомні електростанції (АЕС). В даний час АЕС в Росії дають близько 10% електроенергії.
Основні типи електростанцій
Теплові електростанції будуються швидко, дешево, але багато шкідливих викидів в навколишнє середовище і природні запаси енергоресурсів обмежені.
Гідроелектростанції будуються довше, дорожче; собівартість електроенергії мінімальна, але відбувається затоплення родючих земель і будівництво можливо тільки в певних місцях.
Атомні електростанції будуються довго, дорого, але електроенергія дешевша ніж на ТЕС, шкідливий вплив на навколишнє середовище не значне (при правильній експлуатації), але вимагає захоронення радіоактивних відходів.
Використання електроенергії
Головним споживачем електроенергії є промисловість, на частку якої припадає близько 70% виробленої електроенергії. Значним споживачем є також транспорт. Все більша кількість залізничних ліній перекладається на електричну тягу. Майже всі села і села отримують електроенергію від електростанцій для виробничих і побутових потреб. Про застосування електроенергії для освітлення жител і в побутових електроприладах знає кожен.
Велика частина використовуваної електроенергії зараз перетворюється в механічну енергію. Майже всі механізми в промисловості наводяться в рух електричними двигунами. Вони зручні, компактні, допускають можливість автоматизації виробництва.
Близько третини електроенергії, споживаної промисловістю, використовується для технологічних цілей (електрозварювання, електричний нагрів і плавлення металів, електроліз і т. П.).
Сучасна цивілізація немислима без широкого використання електроенергії. Порушення постачання електроенергією великого міста і навіть маленьких сіл на підводному човні паралізує їх життя.
передача електроенергії
Споживачі електроенергії є всюди. Виробляється ж вона в порівняно небагатьох місцях, близьких до джерел паливо і гідроресурсів. Електроенергію не вдається консервувати у великих масштабах. Вона повинна бути спожита відразу ж після отримання. Тому виникає необхідність в передачі електроенергії на великі відстані.
Передача електроенергії пов'язана з помітними втратами, так як електричний струм нагріває дроти ліній електропередачі. Відповідно до закону Джоуля - Ленца енергія, що витрачається на нагрів проводів лінії, визначається формулою Q = I2Rt де R - опір лінії.
При дуже великій довжині лінії передача енергії може стати економічно невигідною. Значно знизити опір лінії R практично дуже важко. Доводиться зменшувати силу струму.
Тому на великих електростанціях встановлюють підвищувальні трансформатори. Трансформатор збільшує напругу в лінії в стільки ж разів, у скільки разів зменшує силу струму.
Чим довша лінія передачі, тим вигідніше використовувати більш високу напругу. Так, в високовольтної лінії передачі Волзька ГЕС - Москва і деяких інших використовують напругу 500 кВ. Тим часом генератори змінного струму налаштовують на напруги, що не перевищують 16-20 кВ. Більш висока напруга вимагало б прийняття складних спеціальних заходів для ізоляції обмоток і інших частин генераторів.
Для безпосереднього використання електроенергії в двигунах електропривода верстатів, в освітлювальної мережі і для інших цілей напруга на кінцях лінії потрібно понизити. Це досягається за допомогою понижуючих трансформаторів. Загальна схема передачі енергії і її розподілу показана на малюнку.
Зазвичай зниження напруги і відповідно збільшення сили струму здійснюються в кілька етапів. На кожному етапі напруга стає все менше, а територія, охоплена електричною мережею, - усе ширше.
При дуже високій напрузі між проводами може початися розряд, що призводить до втрат енергії. Допустима амплітуда змінної напруги повинна бути такою, щоб при заданій площі поперечного перерізу проводу втрати енергії внаслідок розряду були незначними.
Електричні станції ряду районів країни об'єднані високовольтними лініями електропередачі, утворюючи загальну електричну мережу, до якої підключені споживачі. Таке об'єднання, зване енергосистемою, дає можливість згладити пікові навантаження споживання енергії в ранкові та вечірні години. Енергосистема забезпечує безперебійність подачі енергії споживачам незалежно від місця їх розташування. Зараз майже вся територія нашої країни забезпечується електроенергією об'єднаними енергетичними системами. Діє Єдина енергетична система європейської частини країни.