Производство, передача и использование электроэнергии — Колебания иглы швейной машины, колебания поршня в цилиндре…

^ Электрическую энергию можно легко преобразовывать в различные другие виды энергии: свет, тепло, механическую, также ее можно накапливать и сохранять длительное время, можно передавать на большие расстояния с малыми потерями мощности. Таким образом, значение электроэнергии очень велико. Существует большое количество разнообразных по принципу действия и устройству источников электрической энергии: фотоэлементы, химические источники, электростатические генераторы, индукционные генераторы — они вырабатывают в зависимости от типа постоянное или переменное напряжение.На электростанциях, производящих электроэнергию в промышленных масштабах, используются индукционные электромеханические генераторы переменного тока.
Генератор
Простейший генератор электрического тока устроен и работает следующим образом. Сильный цилиндрический магнит 3 (рис.1) создает между башмаками 1 и 5 магнитное поле. В этом поле с постоянной скоростью вращается якорь 2 с металлической рамкой (витком) 4.
Рис.1 — Схема простейшего генератора переменного тока:1 и 5 — полюсные башмаки; 2 — якорь; 3 — цилиндрический магнит (корпус генератора); 4 — рамка (виток); 6 — лампа накаливания; 7 и 10 — щетки; 8 и 9 — кольца. Вращаясь, рамка пересекает обеими сторонами магнитные силовые линии, вследствие чего в рамке наводится электродвижущая сила. Эта ЭДС создает ток, так как концы рамки при помощи изолированных одно от другого колец 9 и 8 и скользящих щеток 10 и 7 соединены с внешней цепью — лампой накаливания 6.По закону электромагнитной индукции
, где магнитный поток
Наибольшей величины ЭДС достигает при горизонтальном положении рамки, так как в этом случае обе стороны рамки движутся перпендикулярно магнитному потоку и пересекают наибольшее число силовых линий. Когда рамка переходит из горизонтального положения в вертикальное, ЭДС постепенно падает ввиду уменьшения количества пересекаемых силовых линий; при вертикальном положении рамки ЭДС будет равна нулю, так как обе стороны рамки движутся параллельно силовым линиям, не пересекая их.Следовательно, за каждый полуоборот рамки ток, возникающий в ней, достигает наибольшей величины, причем направление его меняется. Во время первого полуоборота (0-180°) ток в рамке течет от щетки 7 к щетке 10, а при втором полуобороте (180- 360°), наоборот, — от щетки 10 к щетке 7.
Рис.2Изменение направления тока вызывается изменением направления, в котором каждая сторона рамки пересекает силовые линии. При первом полуобороте зачерненная сторона рамки (рис.2, а) вращается против направления силовых линий, белая же — по направлению их; во втором полуобороте (рис.2, б) направление вращения зачерненной стороны совпадает с направлением силовых линий, направление же вращения белой стороны будет противоположно направлению силовых линий.На электростанциях разных типов ротор генератора приводится во вращение за счет различных причин. Рассмотрим основные типы станций.

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.
Принцип работы Теплоэлектростанции (ТЭС) — угольная пыль поступает в топку парогенератора (парового котла) В котле нагревается вода, затем испаряется, а образовавшийся насыщенный пар доводится до температуры 400—650 °С и под давлением поступает по паропроводу в паровую турбину. ТЭС имеют невысокий КПД (30— 40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора. Сооружать КЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этом потребители электроэнергии могут находиться на значительном расстоянии от станции.
Теплоэлектроцентраль отличается от конденсационной станции установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе и затем поступает в конденсатор, а другая, имеющая большую температуру и давление, отбирается от промежуточной турбины и используется для теплоснабжения. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприятий в тепловой энергии.
достигает 60—70%. Такие станции строят обычно вблизи потребителей — промышленных предприятий или жилых массивов.
Гидроэлектрическая станция (ГЭС) (КПД ~70%), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.
электростанция, в которой атомная (ядерная) энергия преобразуется в электрическую. Генератором энергии на АЭС является атомный реактор. Тепло, которое выделяется в реакторе в результате цепной реакции деления ядер некоторых тяжёлых элементов, затем так же, как и на обычных тепловых электростанциях (ТЭС), преобразуется в электроэнергию. В отличие от ТЭС, работающих на органическом топливе, АЭС работает на ядерном горючем (в основе 233U, 235U, 239Pu)

Произведенную электроэнергию нужно передать потребителям. Довольно часто станция находится на большом расстоянии от потребителей. Для передачи энергии используются высоковольтные линии электропередач.
Передача электроэнергии связана с заметными потерями. Дело в том, что электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля — Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой
Q = I2Rt, теряемая мощностьP= I2R, где R — сопротивление линии , сила тока определяется потребляемой мощностью P=IUcosφ
При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить сопротивление линии электропередач практически весьма трудно. Поэтому приходится 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 выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва и некоторых других используют напряжение 500 кВ. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16-20 кВ. Более высокое напряжение потребовало бы принятия сложных специальных мер для изоляции обмоток и других частей генераторов.Поэтому на крупных электростанциях ставят повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько уменьшает силу тока.При очень высоком напряжении между проводами начинается разряд, приводящий к потерям энергии. Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие разряда были незначительными. Коэффициент полезного действия линий передач не превышает 90 %.Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить. Это достигается с помощью понижающих трансформаторов.Обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходят в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, — все шире. Схема передачи и распределения электроэнергии приведена на рисунке.

Оцените статью
Добавить комментарий