Производство, передача и использование электрической энергии

Для сооружения ПЭС  даже в наиболее благоприятных для  этого точках морского побережья, где  перепад уровней воды колеблется от 1-2 до 10-16 метров, потребуются десятилетия, или даже столетия. И все же процент  за процентом в мировой энергобаланс ПЭС могут и должны начать давать уже на протяжении этого столетия.

Первая приливная  электростанция мощностью 240 МВт была пущена в 1966 г. во Франции в устье  реки Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8.4 м. Открывая станцию, президент Франции Шарль де Голль назвал ее выдающимся сооружением века. Несмотря на высокую стоимость строительства, которая почти в 2.5 раза превосходит расходы на возведение речной ГЭС такой же мощности, первый опыт эксплуатации приливной ГЭС оказался экономически оправданным. ПЭС на реке Ранс входит в энергосистему Франции и в настоящее время эффективно используется.

Существуют также  проекты крупных ПЭС мощностью 320 МВт (Кольская) и 4000 МВт (Мезенская) на Белом море, где амплитуда приливов составляет 7-10 м. Планируется использовать также огромный энергетический потенциал  Охотского моря, где местами, например в Пенжинской губе, высота приливов достигает 12.9 м, а в Гижигинской губе - 12-14 м .

Благоприятные предпосылки  для более широкого использования  энергии морских приливов связаны  с возможностью применения геликоидной турбины Горлова, которая позволяет сооружать ПЭС без плотин, сокращая расходы на строительство.

Энергия волн.

Уже инженерно  разработаны и экспериментально опробованы высокоэкономичные волновые энергоустановки, способные эффективно работать даже при слабом волнении или вообще при полном штиле. На дно  моря или озера устанавливается  вертикальная труба, в подводной  части которой сделано “окно”; попадая в него, глубинная волна (а это - почти постоянное явление) сжимает воздух в шахте, а тот  крутит турбину генератора. При обратном движении воздух в турбине разрежается, приводя в движение вторую турбину. Таким образом, волновая электростанция работает беспрерывно почти при  любой погоде, а ток по подводному кабелю передается на берег.

Некоторые типы ВЭС  могут служить отличными волнорезами, защищая побережье от волн и экономя, таким образом, миллионы долларов на сооружение бетонных волнорезов. Под руководством директора Лаборатории энергетики воды и ветра Северо-Восточного университета в Бостоне был разработан проект первой в мире океанской электростанции. Она будет сооружена во Флоринском проливе, где берет начало Гольфстрим. На его выходе из Мексиканского залива мощность водяного потока составляет 25 млн. м³ в секунду, что в 20 раз превышает суммарный расход воды во всех реках земного шара! По подсчетам специалистов средства, вложенные в проект, окупятся в течение пяти лет. В этой уникальной электростанции для получения тока мощностью 38 кВт будет использоваться турбина Горлова. Эта геликоидная турбина имеет три спиральные лопасти и под действием потока воды вращается в 2-3 раза быстрее скорости течения. В отличие от многотонных металлических турбин, применяемых на речных гидроэлектростанциях, размеры изготовленной из пластика турбины Горлова невелики (диаметр 50 см, длина 84 см), масса ее всего 35 кг. Эластичное покрытие поверхности лопастей уменьшает трение о воду и исключает налипание морских водорослей и моллюсков. Коэффициент полезного действия турбины Горлова в три раза выше, чем у обычных турбин. Гольфстрим - не единственное океанское течение, которое может быть использовано для выработки энергии. Японские ученые, например, говорят о большой эффективности подобных сооружений на тихоокеанском течении Куросио. О его колоссальном энергетическом потенциале позволяют судить следующие цифры: у южной оконечности острова Хонсю ширина течения составляет 170 км, глубина проникновения - до 700 м, а объем потока - почти 38 млн. м³ в секунду!

Геотермальная энергия.

Подземное тепло планеты - довольно хорошо известный и уже  применяемый источник “чистой” энергии. В России первая геоТЭС мощностью 5 МВт была построена в 1966 г. на юге Камчатки, в долине реки Паужетки. В 1980 г. ее мощность составляла уже 11 МВт. В Италии, в районах Ландерелло, Монте-Амиата и Травеле, работают 11 таких станций общей мощностью 384 МВт. ГеоТЭС действуют также в США (Калифорния, Долина Больших Гейзеров), Исландии (у озера Миватн), Новой Зеландии, Мексики и Японии. Столица Исландии Рейкьявик получает тепло исключительно от горячих подземных источников. Но потенциальная мощность геотермальной энергетики намного выше.

Геологи открыли, что  раскаленные до 180-200^оС массивы на глубине 4-6 км занимают большую часть территории нашей страны, а с температурой до 100-150С встречаются почти повсеместно. Кроме того, на нескольких миллионах квадратных километров располагаются горячие подземные реки и моря с глубиной залегания до 3.5 км и с температурой воды до 200С - естественно, под давлением, - так что, пробурив ствол, можно получить фонтан пара и горячей воды без всякой электротеплоцентрали.

Гидротермальная энергия.

Кроме геотермальной  энергии активно используется тепло  воды. Вода - это всегда хотя бы несколько  градусов тепла, а летом она нагревается  до 25 С. Почему бы не использовать часть этого тепла? Для этого необходима установка, действующая по принципу “холодильник наоборот”. Известно, что холодильник “выкачивает” из своей замкнутой камеры тепло и выбрасывает его в окружающую среду. Если пропускать воду через холодильный аппарат, то у нее тоже можно отбирать тепло. Горячий пар, который образуется в результате теплообмена, конденсируется, его температура поднимается до 110С, а затем его можно пускать либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60-65 С. На каждый киловатт-час затрачиваемой на это энергии природа дает 3 киловатт-часа! По тому же принципу можно получать энергию для кондиционирования воздуха при жаркой погоде. Подобные установки наиболее эффективны при больших перепадах температур, как, например, в морях: на глубине вода очень холодна - около 4С, а на поверхности нагревается до 25 С, что составляет 20 градусов разницы! Все необходимые инженерные разработки уже проведены и опробованы экспериментально (например, у атолла Каваратти в Лаккадивском архипелаге около юго-западного побережья Индии), осталось только претворить их в жизнь везде, где имеются подходящие природные условия.  

3. Передача  электроэнергии. Трансформатор.

Трансформатор (от лат. transformo — преобразовывать) — электрический аппарат, имеющий две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

История.

Столетов Александр  Григорьевич (профессор МУ)сделал первые шаги в этом направлении — обнаружил петлю гистерезиса и доменную структуру ферромагнетика (1880-е). Братья Гопкинсоны разработали теорию электромагнитных цепей. В 1831 году английским физиком Майклом Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции, лежащее в основе действия электрического трансформатора, при проведении им основополагающих исследований в области электричества. Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своём приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока. В 1848 году французский механик Г. Румкорф изобрёл индукционную катушку особой конструкции. Она явилась прообразом трансформатора. 30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки. Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. В 1885 г. венгерские инженеры фирмы «Ганц и К°» Отто Блати, Карой Циперновский и Микша Дери изобрели трансформатор с замкнутым магнитопроводом, который сыграл важную роль в дальнейшем развитии конструкций трансформаторов. Большую роль для повышения надежности трансформаторов сыграло введение масляного охлаждения (конец 1880-х годов, Д.Свинберн). Свинберн помещал трансформаторы в керамические сосуды, наполненные маслом, что значительно повышало надежность изоляции обмоток. С изобретением трансформатора возник технический интерес к переменному току. Русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трёхфазную систему переменного тока с тремя проводами (трехфазная система переменного тока с шестью проводами изобретена Николой Тесла, патент США № 381968 от 01.05.1888, заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), построил первый трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутой обмоткой типа "беличья клетка" и трехфазной обмоткой на роторе (трехфазный асинхронный двигатель изобретен Николой Тесла, патент США № 381968 от 01.05.1888, заявка на изобретение № 252132 от 12.10.1887), первый трёхфазный трансформатор с тремя стержнями магнитопровода, расположенными в одной плоскости. На электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне в 1891 г. Доливо-Добровольский демонстрировал опытную высоковольтную электропередачу трёхфазного тока протяжённостью 175 км. Трёхфазный генератор имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В. 1928 год можно считать началом производства силовых трансформаторов в СССР, когда начал работать Московский трансформаторный завод (впоследствии — Московский электрозавод). В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт Хедфилд провёл серию экспериментов для установления влияния добавок на свойства железа. Лишь через несколько лет ему удалось поставить заказчикам первую тонну трансформаторной стали с добавками кремния. Следующий крупный скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов XX в, когда американский металлург Норман П. Гросс установил, что при комбинированном воздействии прокатки и нагревания у кремнистой стали появляются незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки: магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.

Базовые принципы действия трансформатора

Схематическое устройство трансформатора. 1 — первичная обмотка, 2 — вторичная

Работа трансформатора основана на двух базовых принципах:

1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле (электромагнетизм)
2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке (электромагнитная индукция)

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку. В некоторых трансформаторах, работающих на высоких или сверхвысоких частотах, магнитопровод может отсутствовать.

Виды трансформаторов.

1. Силовой трансформатор
2. Автотрансформатор

3. Трансформатор тока

4. Трансформатор напряжения

5. Импульсный  трансформатор

6. Разделительный  трансформатор

7. Пик-трансформатор

8. Сдвоенный дроссель

9. Трансфлюксор

Области применения трансформаторов

1. Для передачи  и распределения электрической  энергии.

2. Для обеспечения  нужной схемы включения вентилей  в преобразовательных устройствах  и согласования напряжения на  входе и выходе преобразователя.

3. Для различных  технологических целей: сварки (сварочные  трансформаторы), питание электротермических  установок (электропечные трансформаторы) и др. Мощность их достигает  десятков тысяч киловольт-ампер  при напряжение до 10 кВ; они работают обычно при частоте 50 Гц.

4. Для включение электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов, например реле, в электрические цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности.

5. Для питания различных  цепей радио- и телевизионной  аппаратуры; устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов; для разделения электрических цепей различных элементов этих устройств; для согласования напряжений и т.п.

Передача  электроэнергии.

 
Потребители электроэнергии имеются  повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливных и гидроресурсов. Поэтому  возникает необходимость передачи электроэнергии на расстояния, достигающие иногда сотен километров. Но передача электроэнергии на большие расстояния связана с заметными потерями. Дело в том, что, протекая по линиям электропередачи, ток нагревает их. В соответствии с законом Джоуля — Ленца, энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой 
 
где R — сопротивление линии. При большой длине линии передача энергии может стать вообще экономически невыгодной. Для уменьшения потерь можно, конечно, идти по пути уменьшения сопротивления R линии посредством увеличения площади поперечного сечения проводов. Но для уменьшения R, к примеру, в 100 раз нужно увеличить массу провода также в 100 раз. Ясно, что нельзя допустить такого большого расходования дорогостоящего цветного металла, не говоря уже о трудностях закрепления тяжелых проводов на высоких мачтах и т. п. Поэтому потери энергии в линии снижают другим путем: уменьшением тока в линии. Например, уменьшение тока в 10 раз уменьшает количество выделившегося в проводниках тепла в 100 раз, т. е. достигается тот же эффект, что и от стократного утяжеления провода. Так как мощность тока пропорциональна произведению силы тока на напряжение, то для сохранения передаваемой мощности нужно повысить напряжение в линии передачи. Причем, чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение. Так, например, в высоковольтной линии передачи Волжская ГЭС — Москва используют напряжение в 500 кв. Между тем генераторы переменного тока строят на напряжения, не превышающие 16—20 кв., так как более высокое напряжение потребовало бы принятия более 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. Потери мощности при этом невелики. 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. Причем обычно понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока происходит в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, - все шире. Электрические станции ряда областей страны соединены высоковольтными линиями передач, образуя общую электросеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение называется энергосистемой. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям не зависимо от их месторасположения.