2. Електричні станції. Передача і використання електричної енергії

Рівень розвитку продуктивних сил суспільства, здат­ність виробляти матеріальні блага і створювати кращі матеріальні умови для життя визначається рівнем вироб­ництва і споживання енергії, насамперед електричної. Електрична енергія має дві чудові якості: вона може бути передана проводами на великі відстані з порівняно малими втратами і може легко перетворюватися в інші види енергії: механічну (двигуни), внутрішню (електро-нагрівні прилади), світлову (лампи розжарювання), хімічну (зарядка акумуляторів). Ось чому виробництво, передача, розподіл і використання електричної енергії має величезне значення.

о

Виробляється електрична енергія на електростан­ціях в основному за допомогою розглянутих вище індукційних генераторів. Зараз існують три основні типи електростанцій: теплові (ТЕС), гідроелектричні (ГЕС) і атомні (АЕС).

На теплових електростанціях енергія, яка виділяєть­ся під час спалювання різних видів палива: вугілля, газу, нафти, торфу, горючих сланців за допомогою електрогенераторів, що приводяться в обертання паро­вими і газовими турбінами або двигунами внутрішнього згоряння, перетворюється в електричну енергію. Біль­шість сучасних потужних теплових електростанцій є паротурбінними. В парогенераторах електростанцій перегріта (до 500—560 °С) пара під великим тиском (до 2,4-10⁷ Па) спрямовується в турбіну. Об'єм пари зро­стає, а тиск відповідно падає, при цьому потенціальна енергія стиснутої пари перетворюється в кінетичну. В турбіні кінетична енергія струмин пари передається ротору турбіни. Вал турбіни жорстко з'єднаний з валом електрогенератора і тому турбіна приводить в обертан­ня ротор електрогенератора.

Коефіцієнт корисної дії паротурбінних електростан­цій досягає 40 %. Більша частина енергії палива втра­чається разом з гарячою парою, яка відпрацювала. Важливим напрямом підвищення економічності тепло­вих електростанцій є теплофікація — використання значної частини кількості теплоти відпрацьованої пари для потреб заводів, фабрик, для опалення і гарячого водозабезпечення житлових будинків тощо. В результаті коефіцієнт корисної дії ТЕЦ підвищується до 60—80 %. Тому в нашій країні споруджуються, як правило, ТЕЦ, що веде до великої економії палива.

На вітчизняних теплових електростанціях все шир­ше застосування знаходять газові турбіни. В камері зго­ряння такої турбіни згоряє рідке або газоподібне пали­во, яке подається разом з необхідною кількістю повітря. Продукти згоряння у вигляді газу з високою температу­рою й тиском спрямовуються на робочі лопатки газової турбіни і приводять в обертання ротор електричного генератора. ККД газотурбінних станцій не нижчий, ніж паротурбінних, але вартість їх спорудження значно нижча, особливо за наявності висококалорійного горю­чого газу.

На гідроелектростанціях (ГЕС) відбувається пере­творення потенціальної енергії піднятої греблею води в електричну енергію. Ротори електрогенераторів приво­дяться в обертання гідравлічними турбінами. Потуж­ність ГЕС залежить від створюваної греблею різниці рівнів води (напору) і від маси води, яка проходить через турбіни станції за секунду (витрата води).

В останні роки все більшу роль в електроенергетиці відіграють атомні електростанції (АЕС). Принцип їх роботи ґрунтується на використанні внутрішньої енергії, яка виділяється в ядерних реакторах внаслідок регу­льованої ланцюгової реакції поділу ядер урану або плутонію. Більш детально з будовою і роботою АЕС ви ознайомитесь пізніше.

Споживачі електричної енергії є скрізь. У зв'язку з цим при промисловому споживанні електричної енергії може виникнути запитання: що вигідніше? Передавати вироблену в одному місці на великій електростанції електроенергію на значні відстані чи будувати маленькі електростанції біля кожного споживача. Очевидно, однозначної відповіді на всі випадки дати не можна. Зараз вигідніше будувати великі електростанції і пере­давати енергію на великі відстані з мінімальними втра­тами. Ви вже знаєте, що для цього енергію треба переда­вати при високій напрузі.

Генератори потужних теплових, атомних або гідро­електростанцій виробляють змінний струм частотою 50 Гц і напругою 6—20 тисяч вольт. Цей струм за допомогою підвищувальних трансформаторів у кілька прийомів перетворюється в струм з напругою в 110, 220, 400, 500 чи 800 тисяч вольт і подається в лінії передач. Цими лініями струм надходить до місць споживан­ня електроенергії, де за допомогою трансформаторів напруга знижується. Тут будується спеціальна транс­форматорна підстанція, на якій напруга звичайно зни­жується до 35 тисяч вольт. Від неї електроенергія розпо­діляється по окремих районах споживання, в кожному з яких є своя трансформаторна підстанція, яка знижує напругу до 3000—6000 В або 10 000 В. Від цих район­них підстанцій енергія розподіляється між пунктами споживання (заводи, ферми, житлові будинки тощо). В кожному такому пункті є свій трансформатор, який знижує напругу до потрібного споживачам значення.

Для забезпечення житлових будинків та багатьох під­приємств напруга знижується до 220 В і по внутріш­ній мережі подається в квартири, в цехи заводів і фабрик. Передавання електроенергії на великі відстані здійснюють за напруг у декілька сотень тисяч вольтів. Генератори потужних електростанцій виробляють струм з напругою від 6 до 20 кВ. Для передавання електроенергії від електростанцій використовують трансформатори для підвищення напруги до декількох сотень кіловольтів. На місцях споживання електроенергії за допомогою трансформаторів напругу зменшують (мал. 2).

Мал. 2

Сучасна цивілізація немислима без широкого використання електроенергії. Порушення постачання електроенергією великого міста внаслідок аварії паралізує його життя.

Понад 90 % споживаної людством енергії отримують від спалювання вугілля, нафти, газу. Для цього використовують теплові електростанції, на яких хімічна енергія палива перетворюється в електричну. За рахунок згоряння палива відбувається нагрівання води, перетворення її в пару і нагрівання пари. Струмінь пари високого тиску спрямовується на роторні лопаті парової турбіни і примушує його обертатися. Ротор турбіни обертає ротор генератора електричного струму. Генератор змінного струму перетворює механічну енергію в енергію електричного струму.Змінний струм від генератора по провідниках надходить до споживачів, де електрична енергія перетворюється в інші види енергії. За допомогою електродвигуна змінного струму енергія електромагнітних коливань перетворюється у механічну енергію, а в лампах розжарювання, в спіралях електронагрівальних приладів електрична енергія змінного струму перетворюється у внутрішню енергію. Електричну енергію широко застосовують у промисловості, сільському господарстві, на транспорті тощо.

Велику економію при розподілі електроенергії в про­мисловості дає об'єднання всіх електростанцій того чи іншого району в одну систему, оскільки це дає можли­вість оперативно перекидати електроенергію в ту зону, де споживання енергії в даний момент максимальне.

Головним споживачем електроенергії є промисло­вість, яка щорічно споживає близько 70 % всієї вироб­люваної електроенергії. Поряд з широким використан­ням в промисловості, електрична енергія все ширше використовується в технологічних процесах. Дістали широке розповсюдження електрометалургійні, електро­механічні, електронні, ультразвукові, електроіскрові, магнітоімпульсні та інші процеси.

Важливе значення має електрифікація сільського господарства. Значна кількість електроенергії викори­стовується на транспорті і в побуті.

Питання для самоперевірки:

1.На якому принципі ґрунтується робота трансформатора?

2.Чи можна трансформувати постійний струм?

3. Що таке коефіцієнт трансформації?

4. Як виконується передача енергії на великі відстані?

5. В чому полягають проблеми сучасної електроенергетики?

Завдання для самоперевірки:

1.Трансформатор з коефіцієнтом трансформації 10 знижує напругу з 10000 В до 800 В. При цьому у вторинні обмотці йде струм силою 2 А. Визначити опір вторинної обмотки. Втратами енергії в первинній обмотці знехтувати

2.Знижувальний трансформатор з коефіцієнтом трансформації 24 увімкнено в коло з напругою 120 в. Вторинну котушку трансформатора під'єднано до приладу, яким проходить струм силою 0,5А. Визначити опір приладу, якщо опір вторинної котушки трансформатора 2 Ом.

Література: С.У. Гончаренко Фізика 11клас (§18,19,20)