Получение и передача электроэнергии: Урок 44. Получение, передача и распределение электроэнергии.

Урок 44. Получение, передача и распределение электроэнергии.

Производство, передача и распределение электроэнергии.

   Проблема обеспечения энергией уже в самое ближайшее время станет одной из наиболее острых среди глобальных проблем человечества. Более 60% энергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС) на органическом топливе (уголь, нефтепродукты, газ, торф), примерно 18% — на атомных (АЭС) и гидроэлектростанциях (ГЭС), а остальные 2% — на солнечных, ветровых, геотермальных и прочих электростанциях.

   Производство электрической энергии в России концентрируется преимущественно на крупных электростанциях. Потребители электрической энергии – промышленность, строительство, электрифицированный транспорт, сельское хозяйство, сфера бытового обслуживания расположены в городах и сельской местности. Центры потребления электроэнергии, как правило, удалены от ее источников зачастую на расстояния в сотни и даже тысячи километров и распределены на значительной территории. В связи с этим возникает задача транспортирования электроэнергии от станций к потребителям. Эту задачу выполняют электрические сети, состоящие из линий электропередачи (ЛЭП) и подстанций.

   Передача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой.

   Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи (ЛЭП), и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток переменной частоты 50 Гц. На рисунке представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии.

   Следует отметить, что при повышении напряжения в линиях передачи увеличиваются утечки энергии через воздух. В сырую погоду вблизи проводов линии может возникнуть так называемый коронный разряд, который можно обнаружить по характерному потрескиванию. Коэффициент полезного действия линии передач не превышает 90 %.

 

Условная схема высоковольтной линии передачи. Трансформаторы изменяют напряжение в нескольких точках линии. На схеме изображен только один из трех проводов высоковольтной линии.

Среди приборов переменного тока, нашедших широкое применение в технике, значительное место занимают трансформаторы.

Трансформатор – прибор для преобразования напряжения и силы переменного тока при неизменной частоте.

Он был изобретен П. Н. Яблочковым в 1876 году. В 1882 году трансформатор был усовершенствован И. Ф. Усагиным.

Принцип действия трансформаторов, применяемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении электромагнитной индукции.

Простейший трансформатор состоит из сердечника замкнутой формы из магнитомягкого материала, на который намотаны две обмотки: первичная и вторичная.

Первичная обмотка подсоединяется к источнику переменного тока с ЭДС e₁(t), поэтому в ней возникает ток J₁(t), создающий в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток Φ, который практически без рассеяния циркулирует по замкнутому магнитному сердечнику и, следовательно, пронизывает все витки первичной и вторичной обмоток.

В режиме холостого хода, то есть при разомкнутой цепи вторичной обмотки, ток в первичной обмотке весьма мал из-за большого индуктивного сопротивления обмотки. В этом режиме трансформатор потребляет небольшую мощность.

В режиме нагрузки в цепь вторичной обмотки включается сопротивление нагрузки R_н, и в ней возникает переменный ток J₂(t). Теперь полный магнитный поток Φ в сердечнике создается обоими токами. Но согласно правилу Ленца магнитный поток Φ₂, создаваемый индуцированным во вторичной обмотке током J₂, направлен навстречу потоку Φ₁, создаваемому током J₁ в первичной обмотке: Φ = Φ₁ – Φ₂. Отсюда следует, что токи J₁ и J₂ изменяются в противофазе, то есть имеют фазовый сдвиг, равный 180°.

Коэффициент k=n₁/n₂ есть коэффициент трансформации.

При k>1 трансформатор называется повышающим, при k<1 – понижающим.

Написанные выше соотношения, строго говоря, применимы только к идеальному трансформатору, в котором нет рассеяния магнитного потока и отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Эти потери могут быть связаны с наличием активного сопротивления самих обмоток и возникновением индукционных токов (токов Фуко) в сердечнике. Для уменьшения токов Фуко сердечники трансформатора изготавливают обычно из тонких стальных листов, изолированных друг от друга. Существует еще один механизм потерь энергии, связанный с гистерезисными явлениями в сердечнике. При циклическом перемагничивании ферромагнитных материалов возникают потери электромагнитной энергии, прямо пропорциональные площади петли гистерезиса.

У хороших современных трансформаторов потери энергии при нагрузках, близких к номинальным, не превышает 1–2 %, поэтому к ним приближенно применима теория идеального трансформатора.

Если пренебречь потерями энергии, то мощность P₁, потребляемая идеальным трансформатором от источника переменного тока, равна мощности P₂, передаваемой нагрузке.

 

Физика Получение и передача переменного электрического тока. Трансформатор

Материалы к уроку

Конспект урока

Благодаря огромной теоретической и практической работе ученых по изучению индукционного тока, сегодня в каждом доме есть электрическая энергия.  На предыдущих уроках мы рассматривали простейшие опыты, которые легли в основу тех механизмов, которые помогают произвести и доставить электрическую энергию всем потребителям. В наши дома поступает переменный электрический ток.   Переменный ток – это электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и по направлению.  Сегодня мы найдем ответ на вопросы: какие устройства производят переменный электрический ток и как он попадает к нам в дома? Промышленное получение электрического переменного тока сосредоточено на электростанциях. Различают гидравлические, тепловые, атомные, и другие станции.  В гидроэлектростанциях (ГЭС) механическая энергия воды преобразуется в гидрогенераторе в электроэнергию переменного тока. Принцип их действия основан на принципе электромагнитной индукции.  На тепловых станциях энергия сгораемого топлива преобразуется в энергию электрического тока с помощью турбогенераторов. На атомных станциях энергия расщепления урана в реакторе в превращается в электроэнергию.

Простейший генератор мы уже рассматривали ранее, когда вращали замкнутый контур в подковообразном магните. Для получения энергии в промышленном масштабе используют генераторы переменного тока, принцип устройства которого мы сейчас рассмотрим.
Промышленный генератор состоит из следующих основных элементов: неподвижной части, ее называют статором и подвижной – ротором. Ротор промышленного генератора представляет собой электромагнит. Он создает магнитное поле, которое индуцирует переменный ток в медных контурах, которые располагаются в статоре. Вращение ротора на тепловых электростанциях вызвано мощным паровым потоком, на гидроэлектростанциях – потоками воды. Приборы потребителей в определенных странах рассчитаны на конкретную частоту переменного тока. Например, в России и странах СНГ она равна 50 Герц (Гц), то есть за одну секунду переменный ток совершает 50 колебательных движений, а США частота переменного тока 60 Герц (Гц). Это движение удобно рассмотреть на графике зависимости силы переменного тока от времени. Переменный ток сначала возрастает, при этом течет в одном направлении, затем убывает до нуля и начинает двигаться в противоположном направлении, достигает максимума, и снова убывает до нуля, такой процесс повторяется 50 раз (в России) или 60 раз (В США) за одну секунду.  Чтобы передать электроэнергию от электростанции к потребителям используют линии электропередач (ЛЭП). Во время прохождения тока по проводам происходит частичная потеря энергии за счет нагревания проводов, согласно закону Джоуля-Ленца. Для того, чтобы уменьшить потери, уменьшают силу тока, но для сохранения прежней мощности необходимо увеличить напряжение. Электростанции вырабатывают ток невысокого напряжения, поэтому с помощью специального устройства – трансформатора, его повышают, передают по проводам, и только вблизи потребителя опять же с помощью трансформатора его понижают до нужного напряжения, привычного нам в 220 Вольт. 
Рассмотрим подробнее устройство и принцип действия трансформатора. Это устройство было изобретено русским ученым изобретателем Павлом Николаевичем Яблочковым. Оно состоит из двух катушек, охватываемых общим магнитным потоком. В зависимости от числа витков на катушках будут различать трансформаторы повышающие и понижающие. Если число витков на первичной обмотке N1 меньше, чем на вторичной N2, трансформатор понижающий. Если число витков на первичной обмотке N1 больше, чем на вторичной N2, трансформатор понижающий.
Рассмотрим полную схему передачи электроэнергии.  Напряжение, которое вырабатывает генератор на электростанции, подается на повышающую трансформаторную подстанцию, так как, как уже говорилось ранее, для передачи электроэнергии на большие расстояния требуется большее напряжение – несколько сотен киловольт, а генератор вырабатывает напряжение, которое обычно не превышает 25 кВ.  Далее напряжение передается в линии электропередачи. Так как на предприятиях и жилых домах используется напряжение до 380 или 220 В, то в конце линии его поочередно подают на несколько понижающих трансформаторов. Трансформаторы используются и в быту: в подзарядке мобильных телефонов, в телевизорах.
 

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Электричество может передаваться по воздуху

Наука и технологии | Наследники Теслы

Новозеландская фирма пытается превратить старую идею в коммерческую эксплуатацию Это все, что осталось от 57-метровой башни, которую Тесла начал строить в 1901 году в рамках эксперимента по беспроводной передаче информации и электричества на большие расстояния.

Половина сработало. Как он и предсказывал, беспроводная связь изменила мир. Но ему не удалось заставить электроэнергию путешествовать очень далеко. Как следствие, в течение пяти лет работы были остановлены, а позже башня была списана, чтобы погасить его долги. Тесла — пионер, который, среди прочего, разработал генерацию и передачу переменного тока — исчез в относительной безвестности.

Послушайте эту историю. Наслаждайтесь аудио и подкастами на iOS или Android.

Ваш браузер не поддерживает элемент

Послушайте эту историю

Экономьте время, слушая наши аудио статьи во время многозадачности

И так было до тех пор, пока Илон Маск не возродил имя Tesla в качестве бренда своей компании по производству электромобилей. Теперь видение Tesla беспроводной передачи энергии, похоже, тоже возвращается. Фирма Emrod, базирующаяся в Окленде, в сотрудничестве с Powerco, новозеландским дистрибьютором электроэнергии, разработала прототип системы для использования в закрытом испытательном центре. Затем в рамках отдельного проекта планируется передать энергию от солнечной фермы на Северном острове клиенту, находящемуся в нескольких километрах.

Цель состоит в том, чтобы передавать мощность в виде узкого луча микроволн. Это позволит преодолеть два фундаментальных недостатка в плане Теслы. Один из них заключался в том, как брать с людей плату за электроэнергию, которую они могут просто черпать из воздуха. Другой была необходимость преодолеть закон радиационного распространения, который гласит, что мощность сигнала обратно пропорциональна квадрату расстояния, пройденного им от передатчика. В результате мощность сигнала резко падает даже на коротких расстояниях. Передача мощности узким лучом вместо того, чтобы излучать ее во всех направлениях, помогает свести к минимуму проблему.

Силовые лучи, как известен процесс Эмрода, уже пробовали раньше, но в основном для военных целей или для использования в космосе. В 1975 году NASA , американское космическое агентство, использовало микроволны для передачи 34k Вт электричества на расстояние 1,6 км — рекорд, который все еще стоит. Однако он никогда не разрабатывался для коммерческого использования.

Операция Эмрода начнется осторожно. Он начнет с передачи того, что Грег Кушнир, основатель фирмы, описывает как «несколько киловатт» на расстояние 1,8 км. Затем он будет постепенно увеличивать как мощность, так и расстояние. Важнейшей переменной является эффективность, с которой это может быть сделано. По словам г-на Кушнира, сейчас это около 60%. Этого, по его мнению, уже достаточно, чтобы сделать энергетические лучи коммерчески жизнеспособными в некоторых обстоятельствах, например, для охвата отдаленных районов без затрат на дорогостоящие линии электропередач. Но, чтобы улучшить ситуацию, у Эмрода есть еще две хитрости в рукаве. Одним из них является использование реле. Другой — приправить приемники так называемыми метаматериалами.

Реле, представляющие собой пассивные устройства, не потребляющие никакой энергии, работают как линзы, перефокусируя микроволновый луч и направляя его по пути с минимальными потерями при передаче. Они также могут направить его, если необходимо, в новое русло. Это означает, что передатчик и приемник не обязательно должны находиться в прямой видимости друг друга.

Метаматериалы представляют собой композиты, содержащие небольшое количество проводящих металлов и изолирующих пластиков, расположенных таким образом, что они взаимодействуют с электромагнитным излучением, таким как микроволны, определенным образом. Они уже используются в так называемых маскировочных устройствах, помогающих военным кораблям и военным самолетам скрываться от радаров. Но их также можно использовать в приемной антенне для более эффективного преобразования электромагнитных волн в электричество.

Передача мощных микроволн по воздуху сопряжена с риском. Подобные волны, в конце концов, являются средством, с помощью которого микроволновые печи нагревают то, что в них помещают. Эмрод говорит, что кратковременное воздействие его лучей не должно причинить вреда людям или животным, поскольку плотность мощности относительно низкая. Тем не менее, во избежание аварий лучи будут окружены так называемыми лазерными завесами. Это маломощные лазерные лучи, которые сами по себе не вредны. Но если занавес дернется из-за вмешательства таких вещей, как птицы или низколетящие вертолеты (которые в Новой Зеландии используются для отгона овец), это прерывание будет немедленно обнаружено, и микроволновая передача временно прервется. Батареи на принимающей стороне будут заряжаться во время любых отключений.

Если энергетические лучи действительно наберут обороты, Эмрод не останется в своих руках, так как над этой идеей работает ряд других фирм. TransferFi, базирующаяся в Сингапуре, разрабатывает систему, которая формирует лучи радиоволн, которые обычно имеют более низкую частоту, чем микроволны, для передачи мощности на определенные принимающие устройства. Это идея ближнего действия, предназначенная для питания гаджетов на фабриках и домах.

Американская фирма PowerLight Technologies работает с вооруженными силами этой страны над использованием лазеров для передачи энергии на удаленные базы, а также для питания дронов, когда они находятся в воздухе. Компания также присматривается к коммерческим приложениям. Как и Mitsubishi Heavy Industries, японская инженерная фирма. Mitsubishi, в частности, имеет высокие амбиции. Помимо промышленных применений на Земле, изучается, как эту технологию можно использовать для подачи энергии на землю с геостационарных спутников, оснащенных солнечными панелями. Это потребует передачи более 35 000 км. Не столько «подними меня, Скотти», сколько «подними меня вниз».■

Примечание редактора (23 февраля 2020 г.): В эту статью были внесены поправки, чтобы прояснить, что Эмрод занимается двумя отдельными проектами.

Эта статья появилась в разделе «Наука и технологии» печатного издания под заголовком «Смотрите, никаких проводов!»

Наука и технологии 27 февраля 2021 г.

• ДНК неандертальцев влияет на уязвимость к covid-19
• Запыление верхних слоев атмосферы может помочь противостоять изменению климата
• Новейший марсоход снял на видео собственную посадку
• Электричество может передаваться по воздуху
• Водородная масса может быть более удобным топливом, чем газообразный водород

  Откройте для себя истории из этого раздела и другие в списке содержания

  Изучите издание

  Повторно используйте этот контент

  Передача и распределение электроэнергии

  Технологии передачи и распределения электроэнергии (T&D) включают компоненты, используемые для передачи и возобновляемых источников) от генерирующих объектов до конечных пользователей (потребителей).

  Линии T&D могут располагаться над или под землей. К основным компонентам наземных линий электропередачи относятся конструкции электропередач (решетчатые стальные опоры или трубчатые стальные опоры), проводники (провода), изоляторы (соединяют провода с конструкциями) и заземляющие провода (провода защиты от удара молнии).

  Как правило, по линиям электропередач передается электричество более высокого напряжения, тогда как по распределительным линиям в основном используется более низкое напряжение. Линии электропередачи подключены к подстанциям, которые «понижают» мощность до более низкого напряжения, чтобы ее можно было доставить потребителям по распределительным линиям, хотя некоторые крупные промышленные потребители получают электроэнергию при передаче или подпередаче (первичное) напряжение. Тип опор, количество и ширина токопроводящих проводов, а следовательно, и видимость системы определяются током и напряжением передаваемого электричества.

  Для передачи и соответствующей инфраструктуры через парки требуется разрешение на специальное использование. Полномочия на выдачу разрешений ограничены выводами NPS о том, что не наносится ущерба парковым ресурсам и «не противоречит общественным интересам» (16 USC 5 и 79 и Приказ директора № 53).

  Для получения дополнительной информации о технологиях передачи и распределения электроэнергии посетите веб-сайт Управления по поставке электроэнергии и надежности энергоснабжения Министерства энергетики.

  Технологические воздействия

  Линии электропередачи и распределения, связанные с проектами по возобновляемым источникам энергии коммунального масштаба, могут по-разному воздействовать на природные, культурные и исторические ресурсы АЭС в зависимости от местоположения, от того, находятся ли линии над или под землей и используются ли они для передачи или распределения. Основные воздействия на наземные линии включают гибель птиц в результате столкновения и поражения электрическим током, нарушение путей миграции птиц и проблемы со зрением.

  Столкновение и поражение электрическим током : Поражение электрическим током происходит, когда птица пытается сесть на токопроводящие провода с недостаточным зазором и одновременно касается двух проводников разных фаз или проводника и заземляющего провода. Прямое столкновение также может привести к гибели и чаще всего происходит с заземляющими проводами, которые тоньше и менее заметны для птиц.

  Нарушение путей перелетных птиц : Надземные линии электропередач, а также строительство и прокладка траншей для подземных линий связи могут нарушить пути миграции и привести к сокращению популяции.

  Визуальное воздействие : Линии электропередач и опоры способны влиять на виды национального парка, отражая природную, культурную и историческую красоту даже на расстоянии. Например, строительство и расчистка растительности для соответствующей инфраструктуры могут повлиять на внешний вид парка. Эстетика и впечатления посетителей должны быть сбалансированы с воздействием на окружающую среду при определении размера, местоположения и других характеристик системы.

  Воздействия будут различаться в зависимости от местоположения и, следовательно, могут включать перечисленные выше, но не ограничиваться ими.