Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: производство, передача и потребление электрической энергии.

Электрическая энергия играет в нашей жизни исключительную роль. Если в доме нет света, мы оказываемся практически беспомощны. Функционирование предприятий, средств транспорта, коммуникаций и прочих достижений цивилизации основано на использовании электроэнергии.

Электроэнергия обладает замечательными свойствами, которые и обеспечивают возможность её повсеместного применения.

Простота производства

. В мире функционирует огромное множество разнообразных генераторов электроэнергии. •


Передача на большие расстояния


. Электроэнергия транспортируется по высоковольтным линиям электропередачи без существенных потерь. •


Преобразование в другие виды энергии


. Электроэнергия легко преобразуется в механическую энергию (электродвигатели), внутреннюю энергию (нагревательные приборы), энергию света (осветительные приборы) и т. д. •


Распределение между потребителями


. Специальные устройства позволяют распределять электроэнергию между потребителями с самыми разными «запросами» — промышленными предприятиями, городскими электросетями, жилыми домами и т. д.

Рассмотрим подробнее вопросы производства, передачи и потребления электрической энергии.

Высокое напряжение как способ уменьшения потерь

Реальность такова, что передача электроэнергии на большие расстояния неизбежно сопровождается её потерями. Существенная часть электричества, проходя путь от генератора на электростанции до розетки бытового потребителя, превращается в тепло и расходуется на обогрев атмосферы. Однако это не снижает затрат за производство электроэнергии, поэтому конечному пользователю всё же приходится оплачивать и эти нецелевые расходы.

Уменьшить ненужные потери, соответственно, траты, позволяют следующие способы:

  1. применение высокотемпературных сверхпроводников;
  2. увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
  3. повышение напряжения в линиях передачи.

За первым способом будущее. Однако сегодня он технически неосуществим. От второго отказались на первых парах развития электроэнергетики, ведь он экономически нецелесообразен из-за лишних расходов на утолщение проводников. Применение высокого напряжения оказалось наиболее удачным методом, поэтому он используется по всему миру уже порядка ста лет.


ЛЭП

Тут стоит рассказать о том, какие сети используются для передачи электроэнергии. От электростанции до конечного потребителя электричество проходит не только через повышающий трансформатор и высоковольтные линии. Если посмотреть на современный город с высоты, можно заметить целый клубок проводов, образующий единую сеть.

Чтобы попасть к потребителю, с высоковольтных линий ток заново поступает в трансформатор, но на этот раз напряжение понижается. После чего он подается на распределительную сеть и расходится на промышленные предприятия, которые имеют свою подстанцию для получения нужного им напряжения, на городские подстанции, которые расформировывают электричество по магистральным кабелям и на районные подстанции.

Вам это будет интересно Щупы для мультиметра

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты


Городская подстанция

От районных подстанций через линии электропередач электричество подается в частные, многоквартирные дома и объекты инфраструктуры. В спальных микрорайонах кабеля от подстанций в основном прокладывают под землей, откуда они выходят уже на щиток подъезда, который дальше распределяет ток на каждую розетку и лампочку в доме.

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты


Силовой ящик многоэтажки

Классификация линий электропередач

Беспроводная передача электроэнергии

Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.

По классу напряжению ЛЭП бывают:

  • низковольтные, до 1 кВ;
  • высоковольтные, свыше 1 кВ.

По назначению:

  • Межсистемные линии с напряжением от 500 кВ и выше;
  • Магистральные, 220-500 кВ;
  • Распределительные, 110-220 кВ;
  • Линии 35 кВ для питания сельхоз потребителей;
  • ЛЭП 1-20 кВ, используемые в пределах одного населённого пункта.

Род электрического тока в ЛЭП подразделяются на:

  • переменный (практически все линии);
  • постоянный ток (встречается редко, в основном 3,3 кВ контактной сети железной дороги).

История мировой электроэнергетики

Электроэнергетика – стратегическая отрасль экономической системы любого государства. История возникновения и развития ЭЭ берёт своё начало с конца XIX столетия. Предтечей появления промышленной выработки электроэнергии являлись открытия основополагающих законов о природе и свойствах электрического тока.

Отправной точкой, когда возникли производство и передача электроэнергии, считают 1892 год. Именно тогда была построена первая электростанция в Нью-Йорке под руководством Томаса Эдисона. Станция стала источником электрического тока для ламп уличного освещения. Это был первый опыт перевода тепловой энергии от сгорания угля в электричество.

С тех пор началась эра массового строительства тепловых электростанций (ТЭС), работающих на твёрдом топливе – энергетическом угле. С развитием нефтяной промышленности появились огромные запасы мазута, которые образовывались в результате переработки нефтепродуктов. Были разработаны технологии получения носителя тепловой энергии (пара) от сжигания мазута.

С тридцатых годов прошлого века получили широкое распространение гидроэлектростанции (ГЭС). Предприятия стали использовать энергию ниспадающих потоков воды рек и водохранилищ.

В 70-е годы началось бурное строительство атомных электростанций (АЭС). Одновременно с этим стали разрабатываться и внедряться альтернативные источники электроэнергии: это ветровые установки, солнечные батареи, щелочно-кислотные геостанции. Появились мини установки, использующие тепло для получения электричества в результате химических процессов разложения навоза и бытового мусора.

Способы передачи электроэнергии

Знакомство с пиковыми и другими зонами тарификации электроэнергии

Наиболее распространены два способа передачи электроэнергии: с помощью воздушных и кабельных линий. Они отличаются между собой по дальности и среде, в которой находится проводник.

Воздушные линии – это, упрощённо, медные или алюминиевые проводники, подвешенные через изоляторы на металлические или железобетонные опоры. При таком методе возможна передача электричества на большие расстояния и между разными государствами.

Кабельная линия – прокладка проводов под землёй. Отдельные токоведущие жилы расположены, как правило, в резиновой или ПВХ изоляции. Если напряжение высокое, то имеется и броня из металлической ленты. Также она служит в качестве экрана для защиты от помех. Встречается преимущественно в пределах города или предприятия.

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты


Прокладка кабелей

Дополнительная информация. Применяя кабельные линии, возможно транспортировать электроэнергию по дну водоёмов и даже морей. Это позволяет поставлять электричество на острова. Применение ЛЭП таких возможностей не подразумевает.


Микроволны

Микроволны — специальные линии, имеющие длину в 12 сантиметров и частоту в 2,45 гигагерц, которые прозрачны для атмосферы. Вне зависимости от погоды, потеря энергии будет равна 5%. Вначале необходимо преобразование электротока в микроволны, потом их обнаруживание и возвращение в первое состояние. Первая проблема была решена благодаря постановке магнетрона, а вторая — благодаря ректенны или специальной антенны.

Вам это будет интересно Определение мощности резистора

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты


Микроволновая передача энергии

Схема передачи энергии от электростанции до потребителя

Что такое коммерческий учет электроэнергии

Главная электростанция (1) вырабатывает напряжение порядка 10-12 кВ. Затем оно повышается с помощью трансформатора (2) до более высокого уровня: 35, 110, 220, 400, 500 или 1150 кВ. После по кабельной или воздушной линии (3) энергия передаётся на расстояния от единиц до тысяч километров и попадает на понижающую подстанцию. На ней также установлен трансформатор (4), который преобразует сотни киловольт снова в 10-12 тысяч вольт. Далее следует ещё один каскад понижения до 380/220 В (5). Это напряжение является конечным и раздаётся по потребителям (6), т.е. жилым домам, больницам и т.д.

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты


Транспортировка электрической энергии


Основные технологические процессы в электроэнергетике

Нормативы потребления электроэнергии на человека без счетчика

Производство электроэнергии в России базируется на трёх китах энергетической системы. Это атомная, тепловая и гидроэнергетика.

Три вида генерирования электричества

Электростанция Топливо Генерация
ТЭС Уголь, мазут Получение пара от сгорания топлива, который движет турбины генераторов
ГЭС Потенциальная энергия потока воды Движение турбин под напором воды
АЭС Урановые сердечники Получение пара от тепла ядерной реакции. Энергия пара движет генераторные паротурбины

Трансформаторные подстанции

Для преобразования напряжения одной величины в другую служат трансформаторные подстанции. Они представляют собой огороженный забором объект, имеющий на своей территории трансформатор. Внутри него располагаются первичная и вторичная обмотки (катушки). Их электромагнитное взаимодействие позволяет с большим КПД преобразовывать энергию. На подстанцию заходят воздушные линии или кабеля с одним напряжением, а выходят с другим, как правило, более низким.

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты


Понижающий трансформатор

Там же располагаются всевозможные системы контроля и учёта электроэнергии и распределительное устройство (РУ). Оно предназначено для связи с другими объектами энергосистемы и является неотъемлемой частью трансформаторной подстанции. РУ позволяет отключить отдельного потребителя по стороне низкого напряжения, не обесточивая при этом всех остальных.

Энергия ветра

Ветровая электроэнергетика в промышленных масштабах возникла относительно недавно и пополнила перечень нетрадиционных способов получения электроэнергии. И это очень перспективная технология. С большой долей вероятности можно утверждать, что в отдаленном будущем ветряки будут вырабатывать столько электроэнергии, сколько необходимо человечеству. И это не пустые слова, ведь по самым скромным оценкам ученых, суммарная сила ветра на поверхности земного шара минимум в сто раз превышает мощность всех водных ресурсов.

Основной проблемой является непостоянство потоков воздуха, что влечет за собой сложности в прогнозировании выработки энергии. На огромной по площади территории России постоянно дуют ветры. И если научиться эффективно и результативно пользоваться этим неисчерпаемым ресурсом, то можно с лихвой удовлетворить все потребности тяжелой промышленности и населения страны.

Несмотря на очевидные плюсы от использования энергии ветра, объем выработки электричества ветровыми электростанциями не превышает и одного процента в общем объеме. Оборудование для этих целей стоит очень дорого, кроме того, такие объекты будут эффективны далеко не в каждом районе, а транспортировка электроэнергии на значительные расстояния сопряжена с большими потерями.

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты

Пропускная способность линий электропередач

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.

Геотермальная энергетика

Освоение геотермальных источников ознаменовало новую веху в истории развития альтернативных способов получения электроэнергии.

Принцип выработки электроэнергии заключается в поступлении кинетической и потенциальной энергии пара горячей воды подземного источника в лопасти турбины генератора, которая посредством вращательных движений производит ток. В теории разница температур на поверхности и в глубине земной коры характерна для любого участка. Однако она, как правило, минимальна, и использовать ее в целях получения электроэнергии не представляется возможным. Возведение таких станций оправдано лишь в определенных районах нашей планеты (сейсмически активных). Первопроходцем в освоении этого способа является Исландия. Земли русской Камчатки также могут использоваться в этих целях.

Принцип получения энергии заключается в следующем. Горячая вода из недр земли поступает на поверхность. Давление здесь значительно ниже, что приводит к закипанию воды. Отделяющийся пар направляется по трубопроводу и вращает лопасти турбин генератора. Трудно дать прогноз на будущее по этому современному способу получения электроэнергии. Возможно такие станции начнут массово строиться на территории Российской Федерации, а возможно эта идея со временем затухнет и о ней никто и не вспомнит.

Потери электроэнергии

Причины потерь при передаче электрической энергии на расстояние кроются в строении вещества. Электрический ток – это направленное движение по проводнику свободных носителей зарядов. В случае с ЛЭП и кабелями их роль играют электроны. Эти частицы, проходя по сечению провода, неизбежно сталкиваются с окружающими их атомами меди или алюминия и сообщают им часть своей кинетической энергии. Микрочастицы металла за счёт этого удара становятся подвижнее, что и воспринимается органами чувств человека как повышение температуры.

Количество теплоты Q, выделенной в проводнике за время t и потерянной впустую, вычисляется по закону Джоуля – Ленца. Оно пропорционально квадрату протекающего в проводе тока I и его сопротивлению R:

Q = I2Rt.

Дополнительная информация. Потери электричества имеются и в трансформаторе. К самым большим из них относятся затраты энергии на создание вихревых токов в сердечнике и нагрев обмоток.

Атомная энергетика

Атомной электростанцией сегодня уже никого не удивить. Такие объекты активно стали возводиться еще в СССР. Поэтому эта технология относится к традиционным способам получения электроэнергии.

Атомные станции и в настоящее время активно возводятся не только в России, но и в странах ближнего и дальнего зарубежья. Так, например, компания с русскими корнями «Росатом» финансирует строительство такого источника в Республике Беларусь. К слову, на данной территории эта станция будет первой.

В мире отношение к атомной энергетике весьма неоднозначно. Германия, например, всерьез вздумала полностью отказаться от мирного атома. И это в то время, когда Российская федерация активно инвестирует строительство новых объектов последнего поколения.

Ученые достоверно установили, что залежей ядерного топлива в недрах земли гораздо больше всех запасов углеводородного сырья (нефти и газа). Постоянно нарастающая потребность в углеводородах ведет их удорожание. Именно по этому развитие ядерной энергетики оправдывает себя.

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты

Передача электричества на дальние расстояния

Если передача электрической энергии осуществляется на дистанции в сотни километров, то используют воздушные линии. Их строительство обходится существенно дешевле, в сравнении с кабельными, укладываемыми под землю. ЛЭП способны объединять в общую сеть соседние страны. Помимо этого, они проще в эксплуатации, ведь провода находятся под открытым небом. Этот фактор упрощает осмотр технического состояния линии и позволяет заблаговременно спрогнозировать её неисправности.

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты


Возведение ЛЭП 750 000 вольт

Солнечная энергия

По сути дела, все природные топливные ископаемые были образованы миллионы лет назад с участием и под воздействием солнечных лучей. Таким образом, можно сказать, что человечество давно и активно пользуется продуктами, получаемыми от солнца. Собственно говоря, и наличием рек и озер мы обязаны этому неиссякаемому источнику, который обеспечивает кругооборот воды. Однако под современной солнечной энергетикой понимается не это. Относительно недавно ученые смогли разработать и произвести специальные батареи. Они вырабатывают электричество при попадании на их поверхность солнечных лучей. Данная технология относится к альтернативному способу получения электроэнергии.

Солнце, пожалуй, является самым мощным источником из всех ныне известных. За три дня планета Земля получает столько энергии, сколько не содержится во всех разведанных и потенциальных месторождениях всех видов тепловых ресурсов. Однако поверхности земной коры достигает лишь 1/3 этой энергии, а большая часть рассеивается в атмосфере. И все же речь идет о колоссальных объемах. По подсчетам специалистов, один небольшой водоем получает столько энергии, сколько вырабатывает довольно крупная тепловая электростанция.

В мире имеются установки, которые используют энергию солнечных лучей для получения пара. Он приводит во вращение генератор и вырабатывается электричество. Однако подобные установки являются большой редкостью.

Независимо от того, по какому принципу вырабатывается электроэнергия, установка должна оснащаться коллектором – устройством для концентрации солнечных лучей. Наверняка многие видели собственными глазами солнечные батареи. Создается впечатление, что они находятся под темным стеклом. Оказывается, подобное покрытие и являет собой простейший коллектор. Принцип его работы основывается на том, что темный прозрачный материал пропускает солнечные лучи, но задерживает и отражает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Внутри батареи расположены трубки с рабочим веществом. Так как тепловое излучение не пропускается сквозь темную пленку, то температура рабочих жидкостей значительно превышает температуру окружающей среды. Следует отметить, что подобные решения эффективно работают лишь в тропических широтах, где нет необходимости поворачивать коллектор вслед за солнцем.

Еще одна разновидность покрытия – вогнутое зеркало. Такое оборудование является весьма дорогостоящим решением, поэтому оно и не нашло широкого применения. Такой коллектор может обеспечить нагрев до трех тысяч градусов по Цельсию.

Данное направление бурно развивается. В Европе уже никого не удивишь домами, отключенными от электрических сетей. Однако в промышленных масштабах электроэнергия этим методом не вырабатывается. На крышах таких домов красуются солнечные батареи. Это весьма сомнительное вложение. В лучшем случае, установка такого оборудования окупится лишь за десть лет эксплуатации.

Постоянный ток в качестве альтернативы

Большинство из используемых сегодня в мире линий электропередач работает на переменном токе. Однако имеются исключения. В некоторых случаях применение постоянного тока оказывается более эффективным:

  • отпадает необходимость в синхронизации генераторов, работающих в разных энергосистемах;
  • сводятся к нулю потери на ёмкостное и индуктивное сопротивления кабеля;
  • снижается стоимость линии, т.к. для передачи постоянного тока достаточно всего 2 проводников;
  • возможность использования на уже построенных ЛЭП переменного тока, т.е. не нужно возводить новые магистрали;
  • снижение электромагнитного излучения, возникающего при смене направления тока.

Дополнительная информация. Большинство домашних электроприборов может работать от постоянного тока. К ним относятся лампочки, интернет роутеры, дрели, обогреватели и многое другое. Переменный ток необходим только для некоторых видов двигателей, которые в быту встречаются крайне редко.

Умение передавать электрический ток на огромные расстояния послужило решающим фактором для развития всего человечества. Однако индустрия не стоит на месте, поэтому сейчас учёные работают над тем, чтобы сделать транспортировку энергии ещё эффективнее и дешевле.

Суть явления

В отличие от природных ресурсов вроде газа, электроэнергию невозможно закачивать в хранилища и брать оттуда столько, сколько нужно. Поэтому выработка электроэнергии напрямую зависит от потребления. Когда спрос на электричество больше, электростанция вырабатывает больше электроэнергии.

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты


Повседневное использование электроэнергии

Таким образом, передачу электрического тока можно охарактеризовать как непрерывный процесс выработки, транспортировки и потребления. На государственном уровне передача электроэнергии относится к вопросам стратегической безопасности и является приоритетной задачей, на инфраструктуру которой ежегодно выделяются огромные суммы бюджетных средств.

Например, в России в 2020 году на благоустройство энергетической инфраструктуры было потрачено 30 миллиардов долларов.

Дополнительная информация. Недавно в Австралии была запущена первая в мире аккумулирующая электроэнергию станция фирмы Тесла. Саму электроэнергию добывают ветряки, которые заряжают гигантский блок батарей. От них энергия уже передается конечному потребителю по проводам. Таким образом, люди не остаются без электричества в безветренный день.

Передача электроэнергии: популярные способы и альтернативные варианты


Решение проблемы ветряков аккумуляцией электроэнергии


Поделиться:

Share on facebook
Share on twitter
Share on pinterest
Share on linkedin
Share on vk
Share on whatsapp

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показанОбязательные для заполнения поля помечены *

*

Популярные статьи:

Май 2022
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  

Категории:

Для авторов
Возможно многие из Вас обладают хорошими знаниями в сфере строительства и ремонта.

Мы предлагаем Вам заработать на своих знаниях получать дополнительный доход.

Что от Вас требуется:

  1. умение писать уникальные статьи;
  2. отличное знание русского языка;
  3. наличие свободного времени;
  4. желание.

Подробности здесь...
Посетители сайта
1 посетитель просматривают эту страницу.
Пользователей: 1 робот

Сейчас читают:

Если вы хотите получать уведомления на свой E-mail о появлении новых статей, то рекомендуем вам чуть ниже ввести свой электронный почтовый адрес.