Получение и передача электроэнергии Реферат по физике

ГБОУ СПО КО УОР
Получение и передача электроэнергии
Реферат по физике
Выполнил: студент 1 курса
Гаевой Богдан
Руководитель: учитаель информатики Фахретдинов Наиль Ринатович.
г.Калининград2015
2
ПЛАН
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 4
Электрический генератор ....................................................................................... 5
Электрические генераторы постоянного тока .................................................. 5
Генераторы переменного тока ............................................................................ 6
Солнечная батарея................................................................................................... 8
Химический источник тока .................................................................................... 9
Радиоизотопные источники энергии ................................................................... 10
Принцип действия радиоизотопных источников энергии ............................. 11
Практическое применение этого вида топлива ............................................... 12
Передача электроэнергии ..................................................................................... 13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................... Error! Bookmark not defined.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................................... 18
3
ВВЕДЕНИЕ
Генера́ция электроэне́ргии —
производство электроэнергии (электрического напряжения и тока)
посредством преобразования её из других видов энергии с помощью
специальных технических устройств.
Для генерации электроэнергии используют:
Электрический генератор — электрическую машину, в которой
механическая работа преобразуется в электрическую энергию.
Солнечную батарею или фотоэлемент — электронный прибор, который
преобразует энергию электромагнитного излучения, в основном светового
диапазона, в электрическую энергию.
Химические источники тока — преобразование части химической энергии
в электрическую, посредством химической реакции (см. также Топливный
элемент, Гальванический элемент).
Радиоизотопные источники электроэнергии;
4
Электрический генератор
Электрогенераторы - это электрические машины, преобразующие
механическую энергию в электрическую энергию.
Действие электрических генераторов основано на принципе
электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле,
наводится электродвижущая сила - ЭДС.
Электрические генераторы могут производить как постоянный, так
и переменный ток. Слово генератор (generator) переводится с латыни как
производитель.
Известными поставщиками генераторов на мировой рынок являются такие
компании как: Mecc Alte, ABB, General Electric (GE), Siemens AG.
Электрические генераторы постоянного тока
Долгое время электрические генераторы постоянного тока были
единственными типом источника электроэнергии.
В обмотке якоря генератора постоянного тока индуктируется переменный
ток, который преобразуется в постоянный ток электромеханическим
выпрямителем - коллектором. Однако процесс выпрямления тока
коллектором связан с повышенным износом коллектора и щеток, особенно
при большой частоте вращения якоря генератора.
1– коллектор; 2 – щетки; 3 – магнитные полюса; 4 – витки; 5 – вал; 6 – якорь
5
Генераторы постоянного тока различают по характеру их возбуждения независимого возбуждения и самовозбуждением. В генераторах с
электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, располагаемая на
главных полюсах, подключается к независимому источнику
питания. Генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением возбуждаются
постоянными магнитами, из которых изготовляются полюсы
машины. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях
промышленности, где по условиям производства предпочтительным является
постоянный ток - на предприятиях металлургической и электролизной
промышленности, на транспорте, судах и др. Генераторы постоянного тока
используются на электростанциях в качестве возбудителей синхронных
генераторов и источников постоянного тока.
Мощность генераторов постоянного тока может достигать десятка мегаватт.
Генераторы переменного тока
Генераторы переменного тока позволяют получать большие токи при
достаточно высоком напряжении. В настоящее время имеется несколько
типов индукционных генераторов.
Они состоят из электромагнита или постоянного магнита, создающие
магнитное поле, и обмотки, в которой индуцируется переменная ЭДС. Так
как ЭДС, наводимые в последовательно соединенных витках, складываются,
то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней.
Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока
через каждый виток. Для получения большого магнитного потока
в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из
двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки,
создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а
обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из
сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается
вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется
ротором.
6
Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между
сердечниками статора и ротора делают как можно меньшим. Этим
обеспечивается наибольшее значение потока магнитной индукции. В
больших промышленных генераторах вращается электромагнит, который
является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС,
уложены в пазах статора и остаются неподвижными.
Подводить ток к ротору или отводить его из обмотки ротора во внешнюю
цепь приходится при помощи скользящих контактов. Для этого ротор
снабжается контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки.
Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь
обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита,
создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого
генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать
с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить
сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток
вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем),
расположенным на том же валу.
В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся
постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.
Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется
возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного
изменением магнитного потока при вращении ротора.
Обмотки возбуждения синхронных генераторов бывают двух типов: с
явнополюсными и неявнополюсными роторами. В генераторах с
явнополюсными роторами полюса, несущие обмотки возбуждения,
выступают из индуктора. Генераторы такого типа рассчитаны на
сравнительно низкие частоты вращения, для работы с приводом от
поршневых паровых машин, дизельных двигателей,
гидротурбин. Паровые и газовые турбины используются для привода
7
синхронных генераторов с неявнополюсными роторами. Ротор
такого генераторапредставляет собой стальную поковку с фрезерованными
продольными пазами для витков обмотки возбуждения, которые обычно
выполняются в виде медных пластин. Витки закрепляются в пазах, а
поверхность ротора шлифуется и полируется для снижения уровня шума и
потерь мощности, связанных с сопротивлением воздуха.
Обмотки генераторов по большей части делают трехфазными - на выходных
зажимах генератора вырабатываются три синусоидальных напряжения
переменного тока, поочередно достигающих своего максимального
амплитудного значения. В механике редко встречается подобное сочетание
движущихся частей, которые могли бы порождать энергию столь же
непрерывно и экономично.
Мощные синхронные генераторы охлаждаются водородом. Современный
генератор электрического тока - это внушительное сооружение из медных
проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах
в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с
точностью до миллиметра.
Солнечная батарея
Солнечная батарея — несколько объединённых фотоэлектрических
преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо
преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.
В отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материалатеплоносителя, солнечная батарея производит
непосредственно электричество. Однако для производства электричества из
солнечной энергии используются и солнечные коллекторы: собранную
тепловую энергию можно использовать и для вырабатывания электричества.
8
Крупные солнечные установки, использующие высококонцентрированное
солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых
и др. машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.),
называются Гелиоэлектростанции (ГЕЭС).
Различные устройства, позволяющие преобразовывать солнечное излучение
в тепловую и электрическую энергию, являются объектом исследования
гелиоэнергетики. Производство фотоэлектрических элементов и солнечных
коллекторов развивается высокими темпами в самых разных направлениях.
Солнечные батареи бывают различного размера: от встраиваемых в
микрокалькуляторы до занимающих крыши автомобилей и зданий.
Химический источник тока
Химический источник тока сокр., ХИТ (англ. chemical current source или
electrochemical cell) — устройство для прямого преобразования химической
энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию.
В зависимости от эксплуатационных особенностей и от используемой
электрохимической системы (совокупности электродов и электролита),
химические источники тока делятся на первичные (не перезаряжаемые;
гальванические элементы; «батарейки»), которые, как правило, после
полного
разряда
становятся
неработоспособными,
и
вторичные
(перезаряжаемые; аккумуляторы), в которых реагенты регенерируются при
зарядке — пропускании тока от внешнего источника. Такое деление
достаточно условно, так как некоторые гальванические элементы могут быть
частично заряжены.
Химические
источники
тока
состоят
из
двух
электродов:
катода,
содержащего окислитель, и анода, содержащего восстановитель, которые
контактируют с электролитом. Между электродами устанавливается разность
9
потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии
окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников
тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно
разделенных
процессов:
на
катоде
восстановитель
окисляется,
а
образующиеся свободные электроны переходят, создавая разрядный ток, по
внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления
окислителя.
В настоящее время существует большое количество типов аккумуляторов:
литий-ионные
(Li–ion),
металлогидридные
(Ni–MH),
литий-полимерные
никель-кадмиевые
(Li–pol),
никель-
(Ni–Cd),
свинцово-
кислотные, металловоздушные и т. д., — а также первичных источников тока
— «батареек», наиболее популярными среди которых являются солевые,
щелочные и литиевые. К важным и перспективным химическим источникам
тока относятся топливные элементы (электрохимические генераторы),
способные
к
длительному
непрерывному
функционированию
при
постоянном подводе к электродам новых порций реагентов и удалении
продуктов реакции. Схема литий-ионного химического источника тока, в
котором в качестве материала положительного электрода выступает
LiMO2(M = Co, Ni, Mn), а в качестве материала отрицательного электрода —
графит. Во время процесса заряда ионы лития извлекаются из структуры
LiMO2 и, проходя через электролит, внедряются в межслоевое пространство
графита; в процессе разряда перенос ионов лития идет в обратном
направлении. Количество сохраняемой энергии ограничено в основном
свойствами материала положительного электрода. Так, например, для
LiCoO2характерны величины удельной электроемкости 130–150 мАч/г.
Радиоизотопные источники энергии
10
Извлекать энергию из радиоактивных элементов можно не только в атомных
реакторах. Простые, но эффективные радиоизотопные источники энергии
эксплуатируются уже более полувека.
Принцип действия радиоизотопных источников энергии
Один из первых образцов действующего генератора на радиоактивных
изотопах был создан еще в 1913 году британским физиком Мозли. Он
представлял собой сферу, внутри которой располагался радиоактивный
элемент. Внутренняя поверхность сферы была покрыта тонким слоем
серебра, к которому подвели электроды. Образованные в процессе бетараспада электроны ударялись о слой серебра и создавали электрический
потенциал между ним и электродом с радиевой солью. Приблизительно
также работают современные генераторы, только их конструкция на порядок
совершенней.
В отличие от атомного реактора здесь не происходит реакции деления ядра, а
значит, данная технология куда безопасней. Более того, за радиоизотопным
генератором вообще не нужно следить – он никогда не начнет сбоить, так как
интенсивность излучения у конкретных элементов всегда одинакова. Правда,
и влиять на него очень проблематично, поэтому приходиться проектировать
установки под конкретные цели, которые выдают фиксированное количество
энергии и не могут быть перенастроены.
11
Практическое применение этого вида топлива
Количество энергии, которое получается таким образом, очень мало. Для
сравнения – в результате цепной реакции из 1 грамма урана можно получить
до 20 МВт энергии, а если использовать метод радиоизотопной генерации –
всего 8 Вт. Но период полураспада у него около 70 лет, то есть
радиоизотопный источник будет работать десятилетиями, тогда как в
атомном реакторе топливо «сгорит» за считанные секунды.
Очень важно то, что в качестве «топлива» для радиоизотопного генератора
могут использоваться любые радиоактивные отходы – надо лишь
сконфигурировать соответствующим образом систему. Это одним махом
решает проблему их утилизации и позволяет даже извлечь выгоду. Но
специально создавать энергоемкие изотопы для таких генераторов на данном
уровне технологического развития пока еще не выгодно.
12
Что касается действующих образцов – большинство спутников и
космических зондов оснащено такими генераторами. Альтернативного по
эффективности источника энергии для этих целей человечество просто еще
не придумало.
Передача электроэнергии
Передача от электростанции к потребителям —
одна из важнейших задачэнергетики. Электроэнергия передаётся преимущес
твенно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хот
я наблюдается тенденция ко всё более широкомуприменению кабельных лин
ий и линий постоянного тока. Необходимость П. э. на расстояние обусловлен
атем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мо
щными агрегатами, апотребляется сравнительно маломощными электроприё
мниками, распределёнными на значительнойтерритории. Тенденция к концен
трации мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаютсяотносительн
ые затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабат
ываемойэлектроэнергии. Размещение мощных электростанций производится
с учётом целого ряда факторов, таких,например, как наличие энергоресурсов,
их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия,возмож
ность работы в составе единой энергосистемы и т.п. Часто такие электростан
ции оказываютсясущественно удалёнными от основных центров потребления
электроэнергии. От эффективности П. э. нарасстояние зависит работа едины
х электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.
Одной из основных характеристик является её пропускнаяспособность, то ес
ть та наибольшая мощность, которую можно передать по ЛЭП с учётом огра
ничивающихфакторов: предельной мощности по условиям устойчивости, пот
ерь на корону, нагрева проводников и т.д.Мощность, передаваемая по ЛЭП п
13
еременного тока, связана с её протяжённостью и напряжениямизависимость
ю
где U1 и U2 — напряжения в начале и в конце ЛЭП, Zc —
волновое сопротивление ЛЭП, α —
коэффициент изменения фазы, характеризующий поворот вектора напряжени
я вдоль линии на единицу еёдлины (обусловленный волновым характером ра
спространения электромагнитного поля), l — протяжённостьЛЭП, δ —
угол между векторами напряжения в начале и в конце линии, характеризую
щий режимэлектропередачи и её устойчивость. Предельная передаваемая мо
щность достигается при δ = 90°, когда sinδ= 1. Для воздушных ЛЭП переменн
ого тока можно приближённо считать, что максимальная передаваемаямощно
сть примерно пропорциональна квадрату напряжения, а стоимость сооружен
ия ЛЭПпропорциональна напряжению. Поэтому в развитии электропередач н
аблюдается тенденция к увеличениюнапряжения как к главному средству пов
ышения пропускной способности ЛЭП. Предельные значениянапряжении ЛЭ
П, связанные с возможными перенапряжениями ,ограничиваютсяизоляцией
ЛЭП и электрической прочностью воздуха . Повышениепропускной способн
ости ЛЭП переменного тока возможно и путём усовершенствования констру
кции линии, атакже посредством включения различных компенсирующих уст
ройств.Так, например, на ЛЭП напряжением 330 кв и выше используется «ра
сщепление» проводов в каждой фазена несколько электрически связанных ме
жду собой проводников; при этом индуктивное сопротивление линииуменьш
ается, а ёмкостная проводимость увеличивается, что ведёт к снижению Zc и у
меньшению а. Одним изспособов повышения пропускной способности ЛЭП
является сооружение «разомкнутых» линий, у которых наопорах подвешива
ются провода двух цепей таким образом, что провода разных фаз оказываютс
ясближенными между собой.
14
В электропередачах постоянного тока отсутствуют многие факторы, сво
йственные электропередачампеременного тока и ограничивающие их пропус
кную способность. Предельная мощность, передаваемая поЛЭП постоянного
тока, имеет большие значения, чем у аналогичных ЛЭП переменного тока:
где Ев — напряжение на выходе выпрямителя, R∑ —
суммарное активное сопротивлениеэлектропередачи, в которое, кроме сопро
тивления проводов ЛЭП, входят сопротивления выпрямителя иинвертора. Ог
раниченность применения электропередач постоянного тока связана главным
образом стехническими трудностями создания эффективных недорогих устр
ойств для преобразования переменноготока в постоянный (в начале линии) и
постоянного тока в переменный (в конце линии). Электропередачипостоянно
го тока перспективны для объединения крупных удалённых друг от друга эне
ргосистем. В этомслучае отпадает необходимость в обеспечении устойчивост
и работы этих систем.
Качество электроэнергии определяется надёжной и устойчивой работой
электропередачи, чтообеспечивается, в частности, применением компенсиру
ющих устройств и систем автоматического регулирования и управления
Первая в мире электропередача, рассчитанная на длительную эксплуата
цию, была построена вПетербурге в 1876 П. Н. Яблочковым для электрическ
ого освещения улиц. Д. А. Лачинов и М. Депре в 1880теоретически обоснова
ли возможность повышения напряжения для увеличения мощности и дальнос
типередачи. Однако широкое использование электрической энергии в промы
шленности, теснейшим образомсвязанное с П. э. на расстояние, началось лиш
ь после изобретения М. О. Доливо-Добровольским (См.ДоливоДобровольский) экономичного и относительно простого способа передачи эл
ектрической энергиитрёхфазным переменным током. Со времени создания пе
рвых электропередач трёхфазного тока ихнапряжение возрастало в 1,5—
2 раза примерно каждые 10—
15
15 лет. Повышение напряжения даваловозможность увеличивать расстояния
и передаваемые мощности. В 20х гг. 20 в. электроэнергияпередавалась максимально на расстояния порядка 1
00 км, к 30-м гг. протяжённость ЛЭП увеличилась до 400км, а к 70м гг. длина ЛЭП достигла 1000—
1200 км. Наряду с развитием электропередач переменного токасовершенство
валась техника П. э. постоянным током. В 1950 в СССР впервые в мире была
введена вдействие опытная кабельная линия постоянного тока Каширская ГР
ЭС —
Москва напряжением 200 кв спропускной способностью 30 Мвт. Накопленн
ый опыт позволил в 1962—
65 ввести в эксплуатациюмежсистемную электропередачу постоянного тока (
с воздушной ЛЭП напряжением 800 кв) Волгоград —
Донбасс пропускной способностью 750 Мвт. К 1974 в разных странах работа
ло уже более 20электропередач постоянного тока. В СССР в 1975—
85 намечается строительство ЛЭП постоянного токанапряжением ±750 кв пр
отяжённостью 2500—3000 км и в дальнейшем — электропередачи ± 1200 кв.
С 60х гг. большое внимание уделяется разработке качественно новых электропере
дач. Таковы,например,
«закрытые» электропередачи, выполняемые в виде замкнутых конструкций, з
аполненныхэлектроизолирующим газом (например, SF6), внутри которых рас
полагаются провода высокого напряжения.Перспективны также криогенные (
в дальнейшем, возможно, сверхпроводящие) ЛЭП.
«Закрытые» икриогенные электропередачи особенно удобны для энергоснаб
жения потребителей в густонаселённыхрайонах, например на территориях кр
упных городов. Кроме того, изучается возможность передачи энергииэлектро
магнитными волнами высокой частоты по волноводам.
В энергоснабжении потребителей альтернативой П. э. на расстояние явл
яется перевозка топлива.Сравнительный анализ показывает, что не всегда П.
16
э.
—
наилучший способ энергоснабжения: например,при высокой калорийности у
гля (более 17—
19 Мдж/кг) более целесообразно перевозить его по железнойдороге (при усл
овии, что железная дорога уже построена); в ряде случаев оказывается предп
очтительнеесооружать трубопроводы для подачи природного газа или нефти.
Анализ энергосистем ряда стран позволяетвыделить две основные тенденци
и их развития: приближение электростанций к центрам потребления в техслу
чаях, когда на территории, охватываемой объединённой энергосистемой, нет
дешёвых источниковэнергии или когда ресурсы этих источников уже исчерп
аны; сооружение электростанций вблизи дешёвыхисточников энергии и П. э.
на расстояние, к центрам её потребления. Системы электро-, нефтеигазоснабжения должны сооружаться и эксплуатироваться в определённой к
оординации между собой иобразовывать единую энергетическую систему ст
раны.
17
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Интернет источники
1. http://www.manbw.ru/analitycs/electrogen.html
2. http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1947
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0
%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B1%D0%B0%D1%82
%D0%B0%D1%80%D0%B5%D1%8F
4. http://zaryad.com/2011/04/23/radioizotopnyie-istochniki-energii/
5. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/119511/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0
%B5%D0%B4%D0%B0%D1%87%D0%B0
18