Производство электроэнергии

Выработка энергии

Электростанции преобразуют энергию, содержащуюся в топливе (главным образом, уголь, нефть, природный газ, обогащенный уран) или возобновляемые источники энергии (вода, ветер, солнечная энергия) в электрическую энергию.

Обычные современные генераторы производят электричество с частотой, кратной скорости вращения машины. Напряжение обычно не превышает 6-40 кВ. Выходная мощность определяется количеством пара, управляющего турбиной, которая в основном зависит от котла. Напряжение этой мощности определяется током во вращающейся обмотке (т. Е. Ротором) синхронного генератора.

Выход берется из фиксированной обмотки (т. Е. Статора). Напряжение усиливается трансформатором, обычно до гораздо более высокого напряжения. При таком высоком напряжении генератор подключается к сети в подстанции.

Рисунок 2 — паровая турбина и генератор мощностью 472 мегаватт (STG) для электростанции с комбинированным циклом Allen (фото кредит: businesswire.com)

Традиционные электростанции генерируют мощность переменного тока от синхронных генераторов, которые обеспечивают трехфазную электроэнергию, так что источник напряжения представляет собой комбинацию трех источников переменного напряжения, полученных из генератора, с их соответствующими фазовыми напряжениями, разделенными фазовыми углами 120 °.

Ветровые турбины и мини-гидроагрегаты обычно используют асинхронные генераторы, в которых сигнал генерируемого напряжения не обязательно синхронизируется с вращением генератора.

DG относится к поколению, которое подключается к системе распределения, в отличие от обычных централизованных систем выработки электроэнергии.

Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) определил распределенную генерацию как «использование небольших (от 0 до 5 МВт), модульных технологий производства электроэнергии, распределенных по всей системе распределения коммунальных услуг, чтобы уменьшить загрузку T / D или рост нагрузки и тем самым отложить обновление T & D, уменьшают потери системы, улучшают качество и надежность. »

Малые генераторы постоянно совершенствуются с точки зрения затрат и эффективности, становясь ближе к работе крупных электростанций.

Проблемы окружающей среды [ править ]

Различия между странами, производящими электроэнергию, влияют на заботу об окружающей среде. Во Франции только 10% электроэнергии вырабатывается из ископаемого топлива, в США — 70%, а в Китае — 80%. Чистота электричества зависит от его источника. Большинство ученых согласны с тем, что выбросы загрязняющих веществ и парниковых газов от производства электроэнергии на основе ископаемого топлива составляют значительную часть мировых выбросов парниковых газов; в Соединенных Штатах на производство электроэнергии приходится почти 40% выбросов, что является крупнейшим из всех источников. За ними следуют транспортные выбросы, на долю которых приходится около одной трети производства углекислого газа в США . В Соединенных Штатах на сжигание ископаемого топлива для производства электроэнергии приходится 65% всех выбросов диоксида серы , основного компонента кислотных дождей. Производство электроэнергии является четвертым по величине комбинированным источником NOx , окиси углерода и твердых частиц в США.
В июле 2011 года парламент Великобритании внес предложение о том, что «уровни выбросов (углерода) от ядерной энергетики были примерно в три раза ниже на киловатт-час, чем у солнечной энергии, в четыре раза ниже, чем у чистого угля, и в 36 раз ниже, чем у обычного угля. «.

Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла от источников электроэнергии

Технология	Описание	50-й процентиль (г CO2 / кВтч эл. )
Гидроэлектростанции	резервуар	4
Ветер	береговой	12
Ядерная	различные типы реакторов поколения II	16
Биомасса	разные	18
Солнечная тепловая энергия	параболический желоб	22
Геотермальный	горячий сухой камень	45
Солнечные фотоэлектрические	Поликристаллический кремний	46
Натуральный газ	различные турбины комбинированного цикла без промывки	469
Каменный уголь	различные типы генераторов без очистки	1001

Принцип действия индукционного генератора

Принцип действия индукционного генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцирование электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле, или наоборот, прямоугольный контур вращается в однородном неподвижном магнитном поле. Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нем индуктируется синусоидальная электродвижущая сила.

Индукционный генератор переменного тока

Это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока, например, за счет вращения проволочной катушки в магнитном поле, или, наоборот, за счет вращения магнита. До тех пор, пока силовые линии магнитного поля пересекают проводящую катушку, в ней индуцируется электрический ток. Индуцированный электрический ток течет таким образом, что его поле отталкивает магнит, когда рамка приближается к нему, и притягивает, когда рамка удаляется. Каждый раз, когда рамка изменяет ориентацию относительно полюсов магнита, электрический ток также изменяет свое направление на противоположное. Все то время, пока источник механической энергии вращает проводник (или магнитное поле), генератор будет вырабатывать переменный электрический ток.

Устройство индукционного генератора

По конструкции выделяют генераторы:

• с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем,
• с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором.

Генераторы с неподвижными магнитными полюсами используются чаще, поскольку при неподвижной статорной обмотке нет необходимости снимать с помощью скользящих контактов (щеток) и контактных колец с ротора большой ток высокого напряжения. Статор (неподвижная часть) собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга, а на внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора. Ротор (подвижная часть) обычно изготавливают из сплошного железа, а полюсные наконечники магнитных полюсов ротора собирают из листового железа. Для создания максимально возможной магнитной индукции при вращении между статором и полюсными наконечниками ротора желателен минимальный зазор, а геометрическую форму полюсных наконечников подбирают такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее близок к синусоидальному. На сердечники полюсов садят катушки возбуждения, питаемые постоянным током, который подводится с помощью щеток к контактным кольцам, расположенным на валу генератора.

Электромеханический индукционный генератор

Магнитное поле в электромеханическом генераторе создается с помощью постоянного или электромагнита, переменная электродвижущая сила индуцируется в обмотке. В промышленных генераторах поле создается вращающимся магнитом, обмотки остаются неподвижными.

Генератор индукционного тока

Генераторы индукционного тока имеют широкую область применения: чаще всего их используют в местах, в которых требуется непрерывная подача электроэнергии, таких как медицинские учреждения, морозильные склады и т.п. также такие генераторы могут быть востребованы на строительных площадках и для электрификации загородных домов.

Генератор индукционного нагрева

Индукционный нагрев — это нагревание электропроводящих материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Генераторы индукционного нагрева применяются для:

• нагрева заготовок из магнитных материалов, в том числе для гибки и термообработки деталей,
• термической обработки мелких и хрупких деталей,
• поверхностной закалки изделий,
• плавки, сварки и пайки металлов,
• обеззараживания медицинского инструмента.

Источник

Единый энергокомплекс

На принятие решения о размещении крупной электростанции влияет ряд факторов. Это вид и количество имеющихся в наличии ресурсов, доступность транспортировки, климатические условия, включенность в единую энергосистему и т. д. Чаще всего электростанции строятся вдали от крупных очагов потребления энергии. Эффективность ее передачи на немалые расстояния влияет на успешную работу единого энергетического комплекса огромной территории.

Производство и передача электроэнергии должны происходить с минимальным количеством потерь, главная причина которых — нагрев проводов, т. е. увеличение внутренней энергии проводника. Для сохранения передаваемой на большие расстояния мощности нужно пропорционально увеличить напряжение и уменьшить в проводах силу тока.

Как используется электроэнергия

При повсеместном использовании электрической энергии, следует отметить, что основными ее потребителями является промышленность и транспорт. Большинство железнодорожных линий оборудовано электрической тягой. Электричество позволило качественно осветить жилища, городские улицы, решить множество бытовых проблем.

В основном, производство и использование электроэнергии, направлено на запуск механических процессов. Для этого существуют различные типы электродвигателей, приводящих в движение машины и механизмы.

Количество мест, где может производиться электрическая энергия достаточно ограничено. В связи с этим, серьезной проблемой становится передача энергии на большие расстояния. При этом, образуются потери из-за нагрева проводов. При невозможности снизить сопротивление, проводятся мероприятия по уменьшению силы тока. Для этого напряжение регулируются при помощи различных видов трансформаторов. После этого, производится окончательное распределение электроэнергии среди потребителей.

Результаты плана

В 1935 году принятая программа была выполнена и перевыполнена. Построено 40 электростанций вместо запланированных 30, введено мощностей почти втрое больше, чем предусматривалось по плану. Возведено 13 электроцентралей мощностью по 100 тыс. кВт каждая. Общая мощность российских ГЭС составила около 700 000 кВт.

В эти годы были возведены крупнейшие объекты стратегического значения, такие как всемирно известная Днепровская ГЭС. По суммарным показателям Единая советская энергосистема превзошла аналогичные системы самых развитых стран Нового и Старого Света. Производство электроэнергии по странам Европы в те годы значительно отставало от показателей СССР.

Электростанции – основа отрасли

Производство электроэнергии в России обеспечивается почти 600 электростанциями. Мощность каждой превышает 5 МВт. Общая мощность всех электростанций составляет 218 ГВт. Как же мы получаем электроэнергию? В России используются такие типы электростанций:

• тепловые (их доля в общем объеме производства около 68,5%);
• гидравлические (20,3%);
• атомные (почти 11%);
• альтернативные (0,2%).

Когда речь заходит об альтернативных источниках электроэнергии, на ум приходят романические картинки с ветряками и солнечными батареями. Тем не менее, в определенных условиях и местностях это наиболее выгодные виды производства электроэнергии.

Как происходит передача электроэнергии

Производство, передача и использование электроэнергии — три кита отрасли. Причем передать полученную мощность потребителям – самая сложная задача.

«Путешествует» она главным образом посредством ЛЭП — воздушных линий электропередачи. Хотя все чаще начинают применять кабельные линии.

Вырабатывается электроэнергия мощными агрегатами гигантских электростанций, а потребителями ее служат относительно небольшие приёмники, разбросанные по обширной территории.

Существует тенденция концентрировать мощности, связанная с тем, что с их увеличением уменьшаются относительные затраты возведения электростанций, а следовательно, и себестоимость получаемого киловатт-часа.

Жидкое топливо из солнечной энергии

Сейчас электричество получают с помощью сжигания органического топлива, например угля и природного газа. У этого способа есть две проблемы: органическое топливо вредит экологии и когда-нибудь закончится. Это заставляет ученых искать замену органике.

С 2001 года китайские ученые пытались преобразовать солнечную энергию в жидкое топливо. Спустя 20 лет у них это получилось.

Исследователям удалось получить жидкий продукт с минимумом примесей — содержание метанола в нем достигает 99,5%. Для этого потребовалось три шага:

• превратить свет, полученный с помощью солнечных батарей, в энергию;
• с помощью этого электричества разложить воду на водород и кислород;
• соединить водород и оксид углерода и получить метанол.

Чтобы получить нужное количество солнечного света, исследователи используют целые фермы солнечных батарей

Как это применять: в отличие от нефти и угля, это топливо сгорает чисто. Если у Китая получится сделать производство жидкого метанола массовым, углекислого газа в атмосфере станет намного меньше — на долю Китая приходится около 29% мировых выбросов.

Основные составные части электрической сети

Электроэнергетической сетью (Рис. 5) называется совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Рисунок 5 — Электрическая сеть, и электроустановки для передачи и распределения электрической энергии

Все встречающиеся на практике схемы представляют собой сочетания отдельных элементов — фидеров, магистралей и ответвлений.

Электрические сети, в свою очередь, подразделяются на магистральные электрические сети и распределительные электрические сети.

К магистральным сетям относятся все высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), к распределительным – ЛЭП мощностью ниже 110 кВ. Виды электрических сетей представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 — Виды электрических сетей

Сети связаны между собой трансформаторными и распределительными подстанциями. Для обеспечения установленных требований, энергосистемы оборудуют специальными диспетчерскими пунктами, оснащёнными средствами контроля, управления, связи и специальными схемами расположения электростанций, линий передач и понижающих подстанций.

Электрические сети делятся по:

• напряжению;
• степени подвижности;
• назначению;
• роду тока и числу проводов;
• схеме электрических соединений:

а) разомкнутые (нерезервированные). Схемы разомкнутых сетей представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 — Схемы разомкнутых сетей: а — радиальные (нагрузка только на конце линии); б — магистральные (нагрузка присоединена к линии в разных местах)

б) замкнутые (резервированные) (Рис. 8).

Рисунок 8 — Схемы замкнутых сетей: а — сеть с двухсторонним питанием; б — кольцевая сеть; в — двойная магистральная линия; г сложнозамкнутая сеть (для питания ответственных потребителей по двум и более направлениям)

Магистральные схемы электроснабжения применяются в следующих случаях:

• а) когда нагрузка имеет сосредоточенный характер, но отдельные узлы ее оказываются расположенными в одном и том же направлении по отношению к подстанции и на сравнительно незначительных расстояниях друг от друга, причем абсолютные величины нагрузок отдельных узлов недостаточны для рационального применения радиальной схемы;
• б) когда нагрузка имеет распределенный характер с той или иной степенью равномерности.

По конструкции: электропроводки (силовые и осветительные), токопроводы — для передачи электроэнергии в больших количествах на небольшие расстояния, воздушные линии — для передачи электроэнергии на большие расстояния, кабельные линии — для передачи электроэнергии на далекие расстояния в случаях, когда сооружение ВЛ невозможно.

Наибольшее распространение для местных распределительных сетей получили радиальные, магистральные, смешанные (радиальномагистральные) и петлевые схемы.

При радиальной схеме электроснабжения каждая линия является как бы лучом, соединяющим узел сети (подстанцию, распределительный пункт) с единственным потребителем.

При магистральной схеме электроснабжения одна линия — магистраль — обслуживает, как указано, несколько распределительных пунктов или приемников, присоединенных к ней в различных ее точках.

Смешанные схемы распределительных местных сетей применяются при различном расположении потребителей относительно ЦП и сочетаются принципы построения как радиальной, так и магистральных схем.

К электрическим сетям предъявляются следующие требования: надежность, живучесть и экономичность.

Надежность — основное техническое требование, под которым понимается свойство сети выполнять свое назначение в пределах заданного времени и условий работы, обеспечивая электроприемники электроэнергией в необходимом количестве и надлежащего качества.

Живучесть электрической сети — это свойство выполнять свое назначение в условиях разрушающих воздействий в том числе и в боевой обстановке при воздействиях средств поражения противника.

Экономичность — это минимум затрат на сооружение и эксплуатацию сети при условии выполнения требований надежности и живучести.

История изобретения генератора электрического тока

Русский ученый Э.Х.Ленц еще в 1833г. указал на обратимость электрических машин: одна и та же машина может работать как электродвигатель, если ее питать током, и может служить генератором электрического тока, если ее ротор привести во вращение каким-либо двигателем, например паровой машиной. В 1838г. Ленц, один из членов комиссии по испытанию действия электрического мотора Якоби, на опыте доказал обратимость электрической машины.

Первый генератор электрического тока, основанный на явлении электромагнитной индукции, был построен в 1832г. парижскими техниками братьями Пиксин. Этим генератором трудно было пользоваться, так как приходилось вращать тяжелый постоянный магнит, чтобы в двух проволочных катушках, укрепленных неподвижно вблизи его полюсов, возникал переменный электрический ток. Генератор был снабжен устройством для выпрямления тока. Стремясь повысить мощность электрических машин, изобретатели увеличивали число магнитов и катушек. Одной из таких машин, построенной в 1843г., был генератор Эмиля Штерера. У этой машины было три сильных подвижных магнита и шесть катушек, вращавшихся от рук вокруг вертикальной оси. Таким образом, на первом этапе развития электромагнитных генераторов тока (до 1851г.) для получения магнитного поля применяли постоянные магниты. На втором этапе (1851-1867гг.) создавались генераторы, у которых для увеличения мощности постоянные магниты были заменены электромагнитами. Их обмотка питалась током от самостоятельного небольшого генератора тока с постоянными магнитами. Подобная машина была создана англичанином Генри Уальдом в 1863г.

При эксплуатации этой машины выяснилось, что генераторы, снабжая электроэнергией потребителя, могут одновременно питать током и собственные магниты. Оказалось, что сердечники электромагнитов сохраняют остаточный магнетизм после выключения тока. Благодаря этому генератор с самовозбуждением дает ток и тогда, когда его запускают из состояния покоя. В 1866-1867гг. ряд изобретателей получили патенты на машины с самовозбуждением.

В 1870г. бельгиец Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал генератор, получивший широкое применение в промышленности. В своей динамо-машине он использовал принцип самовозбуждения и усовершенствовал кольцевой якорь, изобретенный еще в 1860 г.А.Пачинотти.

В одной из первых машин Грамма кольцевой якорь, укрепленный на горизонтальном валу, вращался между полюсными наконечниками двух электромагнитов. Якорь приводился во вращение через приводной шкив, обмотки электромагнитов были включены последовательно с обмоткой якоря. Генератор Грамма давал постоянный ток, который отводится с помощью металлических щеток, скользивших по поверхности коллектора. На Венской международной выставке в 1873г. демонстрировались две одинаковые машины Грамма, соединенные проводами длиной 1 км. Одна из машин приводилась в движение от двигателя внутреннего сгорания и служила генератором электрической энергии. Вторая машина получала электрическую энергию по проводам от первой и, работая как двигатель, приводила в движение насос. Это была эффектная демонстрация обратимости электрических машин, открытой Ленцем, и демонстрация принципа передачи энергии на расстояние.

До того, как была открыта связь между электричеством и магнетизмом, использовались электростатические генераторы, которые работали на основе принципов электростатики. Они могли вырабатывать высокое напряжение, но имели маленький ток. Их работа была основана на использовании наэлектризованных ремней, пластин и дисков для переноса электрических зарядов с одного электрода на другой.

Заряды вырабатывались, используя один из двух механизмов:

• Электростатическую индукцию
• Трибоэлектрический эффект, при котором электрический заряд возникал из-за механического контакта двух диэлектриков

По причине низкой эффективности и сложностей с изоляцией машин, вырабатывающих высокие напряжения, электростатические генераторы имели низкую мощность и никогда не использовались для выработки электроэнергии в значимых для промышленности масштабах. Примерами доживших до наших дней машин подобного рода являются электрофорная машина и генератор Ван де Граафа.

Результаты плана

В 1935 году принятая программа была выполнена и перевыполнена. Построено 40 электростанций вместо запланированных 30, введено мощностей почти втрое больше, чем предусматривалось по плану. Возведено 13 электроцентралей мощностью по 100 тыс. кВт каждая. Общая мощность российских ГЭС составила около 700 000 кВт.

В эти годы были возведены крупнейшие объекты стратегического значения, такие как всемирно известная Днепровская ГЭС. По суммарным показателям Единая советская энергосистема превзошла аналогичные системы самых развитых стран Нового и Старого Света. Производство электроэнергии по странам Европы в те годы значительно отставало от показателей СССР.

1 Энергия и её виды

Энергия
(от греч. energeie
— действие, деятельность) представляет
собой общую количественную меру движения
и взаимодействия всех видов материи.
Это способность к совершению работы, а
работа совершается тогда, когда на
объект действует физическая сила
(давление или гравитация). Работа—
это энергия в действии.

Во всех
механизмах при совершении работы энергия
переходит из одного вида в другой. Но
при этом нельзя получить энергии одного
вида больше, чем другого, при любых ее
превращениях, т. к. это противоречит
закону сохранения энергии.

Различают следующие
виды энергии: механическая; электрическая;
тепловая; магнитная; атомная.

Электрическая
энергия является одним из совершенных
видов энергии. Её широкое использование
обусловлено следующими факторами:

— получением в
больших количествах вблизи месторождения
ресурсов и водных источников;

— возможностью
транспортировки на дальние расстояния
с относительно небольшими потерями;

— способностью
трансформации в другие виды энергии:
механическую, химическую, тепловую,
световую;

— отсутствием
загрязнения окружающей среды;

— внедрением на
основе электроэнергии принципиально
новых прогрессивных технологических
процессов с высокой степенью автоматизации.

Тепловая
энергия широко используется на современных
производствах и в быту в виде энергии
пара, горячей воды, продуктов сгорания
топлива.

Преобразование
первичной энергии во вторичную, в
частности, в электрическую, осуществляется
на станциях, которые в своем названии
содержат указания на то, какой вид
первичной энергии преобразуется на них
в электрическую:

— на тепловой электрической
станции (ТЭС) — тепловая;

— гидроэлектростанции
(ГЭС) — механическая (энергия движения
воды);

— гидроаккумулирующей
станции (ГАЭС) — механическая (энергия
движения предварительно наполненной
в искусственном водоеме воды);

— атомной
электростанции (АЭС) — атомная (энергия
ядерного топлива);

— приливной
электростанции (ПЭС) — приливов.

В Республике
Беларусь более 95 % энергии вырабатывается
на ТЭС, которые по назначению делятся
на два типа:

— конденсационные
тепловые электростанции (КЭС),
предназначенные для выработки только
электрической энергии;

— теплоэлектроцентрали
(ТЭЦ), на которых осуществляется
комбинированное производство электрической
и тепловой энергии.

Способы использования электроэнергии – электродуговая и контактная сварка.

Еще одним немаловажным способом использования электроэнергии является электросварка металлов открытая в 1802г. русским физиком Василием Владимировичем Петровым. Немного позже, в 1888г., русский инженер и изобретатель Славянов Николай Гаврилович, впервые в мире разработал наиболее распространенный сегодня и внедрил способ электросварки плавящимся металлическим электродом.

С тех пор, использование электродуговой сварки начал применяться повсеместно во всем мире. И в настоящее время трудно найти отрасль производства, где бы не использовалась электросварка.

До этого соединение металлических элементов производилось с помощью заклепок и болтов.

Список использованной литературы

Веников В. А., Дальние электропередачи, М.– Л., 1960;
Совалов С. А., Режимы электропередач 400–500 кв. ЕЭС, М., 1967;
Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи : учебник / Л.А. Бессонов. — 10-е изд. — М. : Гардарики, 2002.
Электротехника: Учебно-методический комплекс. /И. М. Коголь, Г. П. Дубовицкий, В. Н. Бородянко, В. С. Гун, Н. В. Клиначёв, В. В. Крымский, А. Я. Эргард, В. А. Яковлев; Под редакцией Н. В. Клиначёва. — Челябинск, 2006-2008.
Электрические системы, т. 3 – Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения, М., 1972.
Яворский Б. М., Детлаф А. А., Справочник по физике для инженеров и студентов вузов, М.: Наука, — 2-е изд., — 1964, — 848с.
Автомобильный справочник BOSCH. Перевод с англ. Первое русское издание. – М.: За рулем, 2002. – 896 с.
Доцент кафедры МСА Кузнецов М.И., Краткий конспект лекций по курсу «Электромеханические системы». – Пермь, 2001.
Богданов К.Ю., Физика. 11 класс. Учебник. — М.: Просвещение, 2010. — 208 с.
Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н., Физика. 11 класс. Учебник.19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 399 с.Электрические сети, оборудование, документация, инструкцииПрактическая электроникаЭлектротехникаШкола для электрикаФизический портал для школьниковМозговой штурм трансформатораЭлектротехнический портал для студентов ВУЗов и инженеров

Извините, ничего не найдено.