Передача и использование электрической энергии

Передача и использование электрической энергии

Потребители электроэнергии имеются всюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близким к источникам топливо- и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения.
Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния. Передача энергии связана с потерями.
Дело в том, что электрический ток нагревает провода линий электропередачи. Значительно снизить сопротивление линии
практически весьма трудно. Поэтому приходиться уменьшать силу тока. Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Чем длиннее линия передачи, тем более высокое напряжение выгоднее использовать.

Например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС- Москва используют напряжение 500 киловатт. Сами генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16-20 киловатт. Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Так как более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока.  Для непосредственного использования напряжение на концах линии нужно понизить. Понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходят в несколько этапов. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Схема передачи и распределения электроэнергии приведена на рисунке. При очень высоком напряжении между проводами начинается разряд, приводящий к потерям энергии. Поэтому необходимо, чтобы допустимая амплитуда переменного напряжения была такой, чтоб при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными. Для увеличения напряжения в линии электропередачи используют повышающие трансформаторы. А для непосредственного использования электроэнергии в быту напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов. Электрические станции ряда районов страны объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Оно позволяет сгладить пиковые нагрузки во время потребления электроэнергии в утреннее и вечернее время. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям вне зависимости от места их расположения. Сейчас почти вся территория нашей страны обеспечивается электроэнергией объединенными энергетическими системами.

Передача энергии на большие расстояния с малыми потерями -  сложная задача. Использование электрического тока высокого напряжения помогает сейчас успешно разрешить ее.
Потребность в электроэнергии постоянно увеличивается как в промышленности, на транспорте, в научных учреждениях, так и в быту.
Строительство новых мощных электростанций: тепловых, гидравлических и атомных для удовлетворения этих потребностей требует нескольких лет и больших затрат. При этом тепловые электростанции потребляют невозобновляемые природные ресурсы: уголь нефть и газ.  Одновременно они наносят большой ущерб экологическому равновесию на нашей планете.
Приоритет нужно отдать увеличению эффективности использования электроэнергии, а не росту мощности электростанций. Возможности для более эффективного использования электроэнергии имеются, и немалые. Одна из них связана с освещением, на которое тратится около 25% всей производимой электроэнергии.
Наряду с этим самые простые меры по экономному применению освещения в домах и производственных помещениях способны дать немалый эффект. Не надо оставлять включенными без нужды лампы, следует стремиться к тому, чтобы освещались лишь рабочие участки и т. д.  Имеется множество других возможностей для повышения эффективности использования электроэнергии в быту: в холодильных установках, телевизорах, компьютерах. Сэкономленные средства можно использовать для разработки устройств, преобразующих солнечную энергию в электрическую. Большие надежды возлагаются на получение энергии с помощью управляемых термоядерных реакций. Такие устройства не будут представлять столь большой опасности, как обычные атомные электростанции.
Электроэнергию производят сегодня в основном на электростанциях трех типов: тепловых, атомных и гидроэлектростанциях. Современное общество невозможно представить без электрификации производственной деятельности. Уже в конце 80-х годов более треть всего потребления энергии в мире осуществлялась в виде электрической энергии. К началу следующего века эта доля может увеличиться до 50%. Такой рост потребления электроэнергии, прежде всего, связан с ростом ее потребления в промышленности. Основная часть промышленных предприятий работает на электрической энергии. Высокое потребление электроэнергии характерно для таких энергоемких отраслей, как металлургия, алюминиевая и машиностроительная промышленность. Электропотребление в транспорте за год составляет примерно 86,72 миллиардов киловатт-час. Из которых железные дороги расходуют более 51%, трубопроводный – 31,5%, трамвай и троллейбус – 3, 8%, метрополитен – 3,3 %, прочий сухопутный, водный и авиатранспорт - 6%, связь 4,2 %. На холодильное и морозильное торговое оборудование в продовольственной розничной торговле приходится основная доля потребления электроэнергии – в среднем 40-60%. К этому следует добавить торговые автоматы, котельная установка (котельная) — сооружение, в котором осуществляется нагрев рабочей жидкости теплоносителя, как правило, воды для системы отопления или пароснабжения, расположенное в одном техническом помещении; освещение улиц; водоснабжение. Электроэнергия используется при создании программного обеспечения. Электроэнергия является неотъемлемым помощником в быту. Ученые предостерегают: разведанных запасов органического топлива при нынешних темпах роста энергопотребления хватит всего на 70-130 лет. Именно такие умозаключения лишний раз подтверждают необходимость скорейшего перехода к альтернативным источникам электроэнергии. Основные виды «нетрадиционной» энергии, перерабатываемой в электрическую - это солнечная, ветровая, геотермальная, водородная, тепловая энергия океана, энергия приливов и отливов, морских течений. Солнечная энергия – это кинетическая энергия излучения, которая образуется в результате реакций в недрах Солнца. Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения таковы:
1.Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
2. Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, последующее распределение и использование
тепла.
3. «Солнечный парус» может в безвоздушном пространстве преобразовывать солнечные лучи в кинетическую энергию.
4. Термовоздушные электростанции - преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока.
5. Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата).

Ветровая энергия - огромная энергия движущихся воздушных масс.  Принцип работы ветроустановок очень прост: лопасти, которые вращаются за счет силы ветра, через вал передают механическую энергию к электрогенератору. Тот в свою очередь вырабатывает энергию электрическую. Геотермальная энергетика — производство электроэнергии, а также тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли. В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температур кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Стратегия оптимальной эксплуатации приливной электростанции (ПЭС) проста: накапливать воду в водохранилище за плотиной во время приливов и расходовать ее на производство электроэнергии, когда наступает «пик потребления» в единых энергосистемах, ослабляя тем самым нагрузку на другие электростанции.
Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу). «Мини-ГЭС» могут располагаться на небольших реках или даже ручьях, их электрогенераторы будут работать при небольших перепадах воды или движимые лишь силой течения. Эти же «мини-ГЭС» могут быть установлены и на крупных реках с относительно быстрым течением. На дно моря или озера устанавливается вертикальная труба, в подводной части которой сделано «окно»; попадая в него, глубинная волна (а это – почти постоянное явление) сжимает воздух в шахте, а тот крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине разрежается, приводя в движение вторую турбину. Волновая электростанция работает беспрерывно почти при любой погоде, а ток по подводному кабелю передается на берег. Управляемый термоядерный синтез использует ядерную энергию, выделяющуюся при слиянии легких ядер, таких как ядра водорода или его изотопов дейтерия и трития. На данный момент водород является самым разрабатываемым «топливом будущего». На это есть несколько причин: при окислении водорода образуется как побочный продукт вода, из нее же можно водород добывать. А если учесть, что 73% поверхности Земли покрыты водой, то можно считать, что водород неисчерпаемое топливо. Так же возможно использование водорода для осуществления термоядерного синтеза, который вот уже несколько миллиардов лет происходит на нашем Солнце и обеспечивает нас солнечной энергией.
В нашей стране существуют станции, которые вырабатывают энергию за счет альтернативных источников, несмотря на то, что их доля мала и незначительна. Электроэнергия — физический термин, широко распространённый в технике и в быту для определения количества электрической энергии, выдаваемой генератором в электрическую сеть или получаемой из сети потребителем. Основной единицей измерения выработки и потребления электрической энергии служит киловатт-час (и кратные ему единицы). Электрическая энергия является также товаром, который приобретают участники оптового рынка, энергосбытовые компании и крупные потребители-участники опта у генерирующих компаний и потребители электрической энергии на розничном рынке у энергосбытовых компаний. Цена на электрическую энергию выражается в рублях и копейках за потребленный киловатт-час (коп/кВт·ч, руб/кВт·ч) либо в рублях за тысячу киловатт-часов (руб/тыс кВт·ч).

Последнее выражение цены используется обычно на оптовом рынке. В эпоху индустриализации подавляющий объем электроэнергии вырабатывается промышленным способом на электростанциях. В последнее время в связи с экологическими проблемами, дефицитом ископаемого топлива и его неравномерного географического распределения становится целесообразным вырабатывать электроэнергию способом, используя ветроэнергетические установки, солнечные батареи, малые газогенераторы. В некоторых государствах, например в Германии, приняты специальные программы, поощряющие инвестиции в производство электроэнергии домохозяйствами. История российской и мировой электроэнергетики берет начало в 1891 году, когда выдающийся ученый Михаил Осипович Доливо-Добровольский осуществил практическую передачу электрической мощности около 220 кВт на расстояние 175 км. Результирующий КПД линии электропередачи, равный 77,4%, оказался сенсационно высоким для такой сложной многоэлементной конструкции. Такого высокого КПД удалось достичь благодаря использованию трехфазного напряжения, изобретенного самим ученым. В дореволюционной России мощность всех электростанций составляла лишь 1,1 миллион киловатт-час, а годовая выработка электроэнергии равнялась 1,9 миллиард киловатт-час. После революции по предложению Владимира Ильича Ленина был развернут знаменитый план электрификации России ГОЭЛРО. Первые опыты передачи электрической энергии на расстояние относятся к самому началу 70-х годов. В 1873 г. на Венской международной выставке французский электрик И. Фонтен демонстрировал обратимость электрических машин. В 1882 году под руководством известного французского электротехника Депре была построена первая линия электропередачи постоянного тока от Мисбаха до Мюнхена, протяженностью в 57 км. Энергия от генератора передавалась на электродвигатель, приводивший в действие насос.

Задача
Длина электрической линии от Кольской ГЭС до Мурманска равна 100 км. Передаваемая мощность 6000 киловатт. Напряжение 35 киловольт, площадь сечения алюминиевого провода 90 квадратных миллиметров. Удельное сопротивление алюминия 2,8*10-2 Ом*мм2/м. Каковы потери мощности в одном проводе этой линии электропередачи?
Решение.
Необходимо запомнить формулу, позволяющую рассчитать потери мощности в линии электропередачи. Подставим в нее данные из текста задачи. Получили, что потеря мощности на лилии электропередачи Кольская ГЭС-Мурманск составляет более 914 киловатт.