Všechny technologické procesy jakékoli výroby jsou spojeny se spotřebou energie. Na jejich realizaci se vynakládá velká většina energetických zdrojů.
Nejdůležitější roli v průmyslovém podniku hraje elektrická energie – nejuniverzálnější druh energie, který je hlavním zdrojem mechanické energie.
K přeměně různých druhů energie na energii elektrickou dochází při elektrárny .
Elektrárny jsou podniky nebo zařízení určená k výrobě elektřiny. Palivem pro elektrárny jsou přírodní zdroje – uhlí, rašelina, voda, vítr, slunce, jaderná energie atd.
Podle druhu přeměňované energie lze elektrárny rozdělit na tyto hlavní typy: tepelné, jaderné, vodní elektrárny, přečerpávací, plynové turbíny, dále nízkovýkonové lokální elektrárny - větrné, solární, geotermální, přílivová, dieselová atd.
Převážná část elektřiny (až 80 %) se vyrábí v tepelných elektrárnách (TPP). Proces získávání elektrické energie v tepelné elektrárně spočívá v postupné přeměně energie spáleného paliva na tepelnou energii vodní páry, která pohání rotaci turbínové jednotky (parní turbíny spojené s generátorem). Mechanická energie rotace je generátorem přeměněna na elektrickou energii. Palivem pro elektrárny je uhlí, rašelina, ropné břidlice, zemní plyn, ropa, topný olej a dřevní odpad.
Při hospodárném provozu tepelných elektráren, tzn. když spotřebitel současně dodává optimální množství elektřiny a tepla, dosahuje jejich účinnost více než 70 %. V období, kdy se zcela zastaví odběr tepla (například v mimotopné sezóně), účinnost stanice klesá.
Jaderné elektrárny (JE) se od konvenční parní turbínové stanice liší tím, že jaderná elektrárna využívá jako zdroj energie proces štěpení jader uranu, plutonia, thoria atd. v důsledku štěpení těchto materiálů ve speciálních zařízení – reaktory, se uvolňuje obrovské množství tepelné energie.
Ve srovnání s tepelnými elektrárnami spotřebují jaderné elektrárny malé množství paliva. Takové stanice lze postavit kdekoli, protože nesouvisí s umístěním přírodních zásob paliva. Životní prostředí navíc neznečišťuje kouř, popel, prach a oxid siřičitý.
Ve vodních elektrárnách (VVE) se vodní energie přeměňuje na elektrickou energii pomocí hydraulických turbín a k nim připojených generátorů.
Existují přehradní a odklonové typy vodních elektráren. Přehradní vodní elektrárny se používají na nížinných řekách s nízkým tlakem, diverzní vodní elektrárny (s obtokovými kanály) na horských řekách s velkými spády a nízkým průtokem vody. Je třeba si uvědomit, že provoz vodních elektráren závisí na vodní hladině určené přírodními podmínkami.
Výhodou vodních elektráren je jejich vysoká účinnost a nízká cena vyrobené elektřiny. Je však třeba vzít v úvahu vysoké investiční náklady při výstavbě vodních elektráren a značnou dobu potřebnou k jejich výstavbě, která určuje jejich dlouhou dobu návratnosti.
Zvláštností provozu elektráren je, že musí vyrábět tolik energie, kolik je aktuálně potřeba k pokrytí zátěže spotřebitelů, vlastních potřeb stanic a ztrát v sítích. Zařízení stanice proto musí být vždy připraveno na periodické změny zátěže spotřebitelů v průběhu dne nebo roku.
Většina elektráren je integrována do energetické systémy , každý z nich má následující požadavky:
- Korespondence výkonu generátorů a transformátorů s maximálním výkonem spotřebitelů elektřiny.
- Dostatečná kapacita elektrického vedení (PTL).
- Zajištění nepřetržitého napájení vysoce kvalitní energií.
- Nákladově efektivní, bezpečný a snadno použitelný.
Pro splnění těchto požadavků jsou energetické systémy vybaveny speciálními řídicími centry vybavenými monitorovacími, řídicími, komunikačními prostředky a speciálním uspořádáním elektráren, přenosových vedení a snižovacích rozvoden. Řídicí centrum přijímá potřebná data a informace o stavu technologického procesu v elektrárnách (spotřeba vody a paliva, parametry páry, otáčky turbíny atd.); o provozu systému - které prvky systému (vedení, transformátory, generátory, zátěže, kotle, parovody) jsou aktuálně odpojené, které jsou v provozu, v záloze atd.; o elektrických parametrech režimu (napětí, proudy, činné a jalové výkony, frekvence atd.).
Provoz elektráren v systému umožňuje díky velkému počtu paralelně pracujících generátorů zvýšit spolehlivost napájení spotřebitelů, plně zatížit nejúspornější jednotky elektráren a snížit náklady na elektřinu. generace. Navíc se snižuje instalovaný výkon záložních zařízení v energetické soustavě; zajišťuje vyšší kvalitu elektřiny dodávané spotřebitelům; zvyšuje se jednotkový výkon jednotek, které lze do systému instalovat.
V Rusku, stejně jako v mnoha jiných zemích, se pro výrobu a rozvod elektřiny používá třífázový střídavý proud o frekvenci 50 Hz (v USA a řadě dalších zemí 60 Hz). Třífázové sítě a instalace jsou hospodárnější ve srovnání s instalacemi na jednofázový střídavý proud a také umožňují široké použití nejspolehlivějších, jednoduchých a levných asynchronních elektromotorů jako elektrického pohonu.
Spolu s třífázovým proudem se v některých odvětvích používá stejnosměrný proud, který se získává usměrňováním střídavého proudu (elektrolýza v chemickém průmyslu a metalurgii neželezných kovů, elektrifikovaná doprava atd.).
Elektrická energie vyrobená v elektrárnách se musí převádět do míst spotřeby, především do velkých průmyslových center země, která jsou od výkonných elektráren vzdálena mnoho set a někdy i tisíce kilometrů. Přenášet elektřinu ale nestačí. Musí být distribuován mezi mnoho různých spotřebitelů - průmyslové podniky, doprava, obytné budovy atd. Přenos elektřiny na velké vzdálenosti se provádí při vysokém napětí (až 500 kW nebo více), což zajišťuje minimální elektrické ztráty v elektrických vedeních a vede k velkým úsporám materiálů díky zmenšení průřezů vodičů. Proto je v procesu přenosu a distribuce elektrické energie nutné zvyšovat a snižovat napětí. Tento proces se provádí pomocí elektromagnetických zařízení nazývaných transformátory. Transformátor není elektrický stroj, protože jeho práce nesouvisí s přeměnou elektrické energie na mechanickou energii a naopak; přeměňuje pouze napětí na elektrickou energii. Napětí se zvyšuje pomocí stupňovitých transformátorů v elektrárnách a napětí se snižuje pomocí snižovacích transformátorů na odběrných rozvodnách.
Mezičlánkem pro přenos elektřiny z trafostanice do přijímačů elektřiny jsou Elektřina sítě .
Trafostanice je elektroinstalace určená pro přeměnu a rozvod elektrické energie.
Rozvodny mohou být uzavřeny nebo otevřeny v závislosti na umístění jejich hlavního zařízení. Pokud je zařízení umístěno v budově, pak se rozvodna považuje za uzavřenou; pokud je pod širým nebem, pak otevřete.
Zařízení rozvodny lze sestavit z jednotlivých prvků zařízení nebo z bloků dodávaných smontovaných pro instalaci. Rozvodny blokového provedení se nazývají kompletní.
Zařízení rozvodny zahrnuje zařízení, která spínají a chrání elektrické obvody.
Hlavním prvkem rozvoden je výkonový transformátor. Konstrukčně jsou výkonové transformátory navrženy tak, aby odváděly co nejvíce tepla z vinutí a jádra do okolí. K tomu je například jádro s vinutím ponořeno do nádrže s olejem, povrch nádrže je vyroben žebrovaný, s trubkovými radiátory.
Suchými transformátory lze vybavit kompletní trafostanice instalované přímo ve výrobních prostorách do výkonu 1000 kVA.
Pro zvýšení účiníku elektrických instalací jsou v rozvodnách instalovány statické kondenzátory pro kompenzaci jalového výkonu zátěže.
Automatický monitorovací a řídicí systém pro zařízení rozvoden monitoruje procesy probíhající v zátěži a v napájecích sítích. Plní funkce ochrany transformátoru a sítí, odpojuje chráněné oblasti pomocí vypínače při nouzových podmínkách, provádí restart a automatické zapínání rezervy.
Transformovny průmyslových podniků jsou připojeny k napájecí síti různými způsoby v závislosti na požadavcích na spolehlivost nepřetržitého napájení spotřebitelů.
Typická schémata poskytující nepřerušované napájení jsou radiální, hlavní nebo kruhové.
V radiálních schématech vycházejí z rozvodné desky trafostanice vedení, která napájejí velké elektrické přijímače: motory, skupinové rozvody, ke kterým jsou připojeny menší přijímače. Radiální okruhy se používají v kompresorových a čerpacích stanicích, dílnách v prašném průmyslu s nebezpečím výbuchu a požáru. Poskytují vysokou spolehlivost napájení, umožňují široké použití automatických řídicích a ochranných zařízení, ale vyžadují vysoké náklady na konstrukci rozvodnic, pokládku kabelů a vodičů.
Kmenové okruhy se používají při rovnoměrném rozložení zátěže v prostoru dílny, kdy není potřeba budovat rozvaděč v rozvodně, což snižuje náklady na objekt; lze použít prefabrikované přípojnice, což urychluje instalaci. Stěhování technologického zařízení přitom nevyžaduje přepracování sítě.
Nevýhodou hlavního obvodu je nízká spolehlivost napájení, protože v případě poškození hlavního vedení jsou všechny elektrické přijímače, které jsou k němu připojeny, vypnuty. Instalace propojek mezi síť a použití ochrany však výrazně zvyšuje spolehlivost napájení s minimálními náklady na redundanci.
Z rozvoden je nízkonapěťový proud průmyslové frekvence distribuován po dílnách pomocí kabelů, vodičů, přípojnic od dílenského rozvaděče k elektrickým pohonným zařízením jednotlivých strojů.
Přerušení dodávek energie do podniků, a to i krátkodobé, vedou k narušení technologického procesu, znehodnocení výrobků, poškození zařízení a nenapravitelným ztrátám. V některých případech může výpadek proudu vytvořit v podnicích nebezpečí výbuchu a požáru.
Podle pravidel elektroinstalace jsou všechny přijímače elektrické energie rozděleny do tří kategorií podle spolehlivosti napájení:
- Energetické přijímače, u kterých je přerušení dodávky elektřiny nepřijatelné, protože může vést k poškození zařízení, masivním závadám výrobků, narušení složitého technologického procesu, narušení provozu zvláště důležitých prvků městského hospodářství a v konečném důsledku i k ohrožení života lidí .
- Energetické přijímače, jejichž přerušení napájení vede k neplnění plánu výroby, prostojům pracovníků, strojů a průmyslové dopravy.
- Ostatní přijímače elektrické energie, např. nesériové a pomocné výrobny, sklady.
Dodávka elektrické energie do přijímačů elektrické energie první kategorie musí být v každém případě zajištěna a v případě poruchy musí být automaticky obnovena. Proto musí mít takové přijímače dva nezávislé zdroje energie, z nichž každý je může plně zásobovat elektřinou.
Elektropřijímače druhé kategorie mohou mít záložní zdroj napájení, který připojí obsluhující personál po určité době po výpadku hlavního zdroje.
U přijímačů třetí kategorie se zpravidla záložní zdroj neposkytuje.
Napájení podniků se dělí na externí a interní. Externí napájení je systém sítí a rozvoden od zdroje energie (energetického systému nebo elektrárny) až po transformovnu podniku. Přenos energie se v tomto případě provádí kabelem nebo nadzemním vedením se jmenovitým napětím 6, 10, 20, 35, 110 a 220 kV. Vnitřní zásobování energií zahrnuje energetický rozvod v rámci dílen podniku a na jeho území.
Do výkonové zátěže (elektromotory, elektrické pece) se přivádí napětí 380 nebo 660 V, do světelné zátěže 220 V Pro snížení ztrát je vhodné připojit motory o výkonu 200 kW a více napětí 6 nebo 10 kV.
Nejběžnější napětí v průmyslových podnicích je 380 V. Hojně se zavádí napětí 660 V, které umožňuje snížit energetické ztráty a spotřebu neželezných kovů v sítích nízkého napětí, zvýšit dosah dílenských rozvoden a výkon každého transformátoru na 2500 kVA. V některých případech je při napětí 660 V ekonomicky opodstatněné použití asynchronních motorů s výkonem až 630 kW.
Rozvod elektřiny se provádí pomocí elektroinstalace - souboru vodičů a kabelů s přidruženými upevněními, nosnými a ochrannými konstrukcemi.
Vnitřní rozvody jsou elektrické rozvody instalované uvnitř budovy; vnější - venku, podél vnějších stěn budovy, pod přístřešky, na podpěrách. V závislosti na způsobu instalace mohou být vnitřní rozvody otevřené, pokud jsou položeny na povrchu stěn, stropů atd., a skryté, pokud jsou položeny v konstrukčních prvcích budov.
Kabeláž může být vedena izolovaným drátem nebo nepancéřovaným kabelem o průřezu až 16 mm2. V místech možného mechanického nárazu jsou elektrické rozvody uzavřeny v ocelových trubkách a utěsněny, pokud je prostředí místnosti výbušné nebo agresivní. Na obráběcích a tiskařských strojích se elektroinstalace provádí v trubkách, v kovových objímkách, drátem s polyvinylchloridovou izolací, který se neničí působením strojních olejů. Velké množství vodičů řídicího systému elektroinstalace stroje je uloženo v žlabech. Přípojnice se používají k přenosu elektřiny v dílnách s velkým počtem výrobních strojů.
Pro přenos a rozvod elektřiny se hojně používají silové kabely v pryžových a olověných pláštích; neozbrojené a obrněné. Kabely mohou být uloženy v kabelových kanálech, upevněny na stěnách, v hliněných výkopech nebo zapuštěny do zdí.
VYUŽITÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE V RŮZNÝCH VĚDECKÝCH OBLASTECH
A VLIV VĚDY NA VYUŽÍVÁNÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE V ŽIVOTĚ
Dvacáté století se stalo stoletím, kdy věda pronikla do všech sfér společenského života: do ekonomiky, politiky, kultury, vzdělávání atd. Věda přirozeně přímo ovlivňuje vývoj energetiky a rozsah použití elektřiny. Věda na jedné straně přispívá k rozšiřování oblasti použití elektrické energie a tím zvyšuje její spotřebu, na druhé straně však v době, kdy neomezené využívání neobnovitelných zdrojů energie představuje nebezpečí pro budoucí generace, naléhavá úkoly vědy jsou vývoj energeticky úsporných technologií a jejich implementace do života.
Podívejme se na tyto otázky na konkrétních příkladech. Zhruba 80 % růstu HDP (hrubého domácího produktu) vyspělých zemí je dosahováno technickými inovacemi, jejichž hlavní část souvisí s využíváním elektřiny. Všechno nové v průmyslu, zemědělství a každodenním životě k nám přichází díky novému vývoji v různých odvětvích vědy.
Většina vědeckého vývoje začíná teoretickými výpočty. Pokud se však v 19. století tyto výpočty prováděly pomocí tužky a papíru, pak v době STR (vědecké a technologické revoluce) se všechny teoretické výpočty, výběr a analýza vědeckých dat a dokonce i lingvistická analýza literárních děl prováděly pomocí počítačů. (elektronické počítače), které pracují na elektrické energii, která je nejvhodnější pro její přenos na dálku a její využití. Ale pokud byly zpočátku počítače používány pro vědecké výpočty, nyní se počítače dostaly od vědy k životu.
Nyní se používají ve všech oblastech lidské činnosti: pro záznam a ukládání informací, vytváření archivů, přípravu a úpravu textů, provádění kresebných a grafických prací, automatizaci výroby a zemědělství. Elektronizace a automatizace výroby jsou nejdůležitějšími důsledky „druhé průmyslové“ či „mikroelektronické“ revoluce v ekonomikách vyspělých zemí. Vývoj komplexní automatizace přímo souvisí s mikroelektronikou, jejíž kvalitativně nová etapa začala po vynálezu v roce 1971 mikroprocesoru - mikroelektronického logického zařízení zabudovaného do různých zařízení pro řízení jejich činnosti.
Mikroprocesory urychlily růst robotiky. Většina dnes používaných robotů patří do tzv. první generace a používá se při svařování, řezání, lisování, lakování atp. Roboty druhé generace, které je nahrazují, jsou vybaveny zařízeními pro rozpoznávání prostředí. A „inteligentní“ roboti třetí generace budou „vidět“, „cítit“ a „slyšet“. Vědci a inženýři jmenují jadernou energii, průzkum vesmíru, dopravu, obchod, skladování, lékařskou péči, zpracování odpadu a rozvoj bohatství oceánského dna mezi oblasti s nejvyšší prioritou pro použití robotů. Většina robotů pracuje na elektrickou energii, ale nárůst spotřeby elektřiny roboty je kompenzován poklesem energetických nákladů v mnoha energeticky náročných výrobních procesech v důsledku zavádění racionálnějších metod a nových energeticky úsporných technologických postupů.
Ale vraťme se k vědě. Všechny nové teoretické poznatky po počítačových výpočtech jsou testovány experimentálně. A zpravidla se v této fázi provádí výzkum pomocí fyzikálních měření, chemických analýz atd. Zde jsou nástroje vědeckého výzkumu rozmanité – četné měřicí přístroje, urychlovače, elektronové mikroskopy, magnetická rezonance atd. Většina těchto přístrojů experimentální vědy je poháněna elektrickou energií.
Ale věda nevyužívá elektřinu pouze ve svých teoretických a experimentálních oblastech, vědecké myšlenky neustále vznikají v tradiční oblasti fyziky spojené s příjmem a přenosem elektřiny. Vědci se například snaží vytvořit elektrické generátory bez rotujících částí. U konvenčních elektromotorů musí být rotoru přiváděn stejnosměrný proud, aby vznikla „magnetická síla“. Elektrický proud musí být do elektromagnetu „fungujícího jako rotor“ (jeho otáčky dosahují tří tisíc otáček za minutu) přiváděn přes vodivé uhlíkové kartáče a kroužky, které se o sebe třou a snadno se opotřebovávají. Fyzici přišli s nápadem nahradit rotor proudem horkých plynů, plazmovým proudem, ve kterém je mnoho volných elektronů a iontů. Pokud takový proud projdete mezi póly silného magnetu, pak v něm podle zákona elektromagnetické indukce vznikne elektrický proud - proud se přece pohybuje. Elektrody, s jejichž pomocí je třeba z horkého paprsku odebírat proud, mohou být na rozdíl od uhlíkových kartáčů běžných elektroinstalací stacionární. Nový typ elektrického stroje se nazývá magnetohydrodynamický generátor.
V polovině dvacátého století vědci vytvořili originální elektrochemický generátor, nazývaný palivový článek. Na elektrodové desky palivového článku jsou přiváděny dva plyny – vodík a kyslík. Na platinových elektrodách předávají plyny elektrony vnějšímu elektrickému obvodu, stávají se ionty a po spojení se mění na vodu. Elektřina i voda jsou získávány z plynového paliva. Pohodlný, tichý a čistý zdroj energie pro cestování na dlouhé vzdálenosti, například do vesmíru, kde jsou oba produkty palivových článků obzvláště potřeba.
Dalším originálním způsobem výroby elektřiny, který se v poslední době rozšířil, je přeměna sluneční energie na elektrickou energii „přímo“ – pomocí fotovoltaických instalací (solárních baterií). S nimi je spojen vznik „solárních domů“, „solárních skleníků“, „solárních farem“. Takové solární panely se také používají ve vesmíru k poskytování elektřiny vesmírným lodím a stanicím.
Věda v oblasti komunikací a komunikací se velmi rychle rozvíjí. Satelitní komunikace se již nepoužívá pouze jako prostředek mezinárodní komunikace, ale i v běžném životě – satelitní paraboly nejsou v našem městě ničím neobvyklým. Nové komunikační prostředky, jako je technologie vláken, mohou výrazně snížit energetické ztráty v procesu přenosu signálů na velké vzdálenosti.
Věda neobešla ani sféru managementu. S tím, jak se rozvíjí vědeckotechnický pokrok a rozšiřují se výrobní i nevýrobní sféry lidské činnosti, začíná management hrát stále důležitější roli ve zvyšování jejich efektivity. Z druhu umění, které bylo donedávna založeno na zkušenostech a intuici, se dnes management proměnil ve vědu. Věda o řízení, obecné zákony přijímání, uchovávání, předávání a zpracovávání informací se nazývá kybernetika. Tento výraz pochází z řeckých slov „kormidelník“, „kormidelník“. Nachází se v dílech starověkých řeckých filozofů. K jeho znovuzrození však ve skutečnosti došlo v roce 1948, po vydání knihy „Kybernetika“ od amerického vědce Norberta Wienera.
Před začátkem „kybernetické“ revoluce existovala pouze papírová informatika, jejímž hlavním prostředkem vnímání byl lidský mozek a která nevyužívala elektřinu. Z „kybernetické“ revoluce se zrodila zásadně jiná – strojová informatika, odpovídající giganticky zvýšeným tokům informací, jejichž zdrojem energie je elektřina. Vznikly zcela nové prostředky získávání informací, jejich akumulace, zpracování a předávání, které dohromady tvoří komplexní informační strukturu. Zahrnuje automatizované řídicí systémy (automatizované řídicí systémy), informační databanky, automatizované informační databáze, počítačová centra, video terminály, kopírovací a fototelegrafní stroje, národní informační systémy, satelitní a vysokorychlostní optické komunikační systémy – to vše se neomezeně rozšířilo rozsah použití elektřiny.
Mnoho vědců se domnívá, že v tomto případě hovoříme o nové „informační“ civilizaci, která nahrazuje tradiční organizaci společnosti průmyslového typu. Tato specializace se vyznačuje následujícími důležitými vlastnostmi:
· široké využití informačních technologií v hmotné i nehmotné výrobě, v oblasti vědy, školství, zdravotnictví apod.;
· přítomnost široké sítě různých databank, včetně veřejných;
· přeměna informací v jeden z nejdůležitějších faktorů ekonomického, národního a osobního rozvoje;
· volný oběh informací ve společnosti.
Takový přechod od průmyslové společnosti k „informační civilizaci“ byl možný především díky rozvoji energetiky a poskytnutí vhodného typu energie pro přenos a využití – elektrické energie.
ELEKTŘINA VE VÝROBĚ
Moderní společnost si nelze představit bez elektrifikace výrobních činností. Již na konci 80. let byla více než 1/3 veškeré spotřeby energie na světě realizována ve formě elektrické energie. Na začátku příštího století se tento podíl může zvýšit až na 1/2. Tento nárůst spotřeby elektřiny je spojen především s nárůstem její spotřeby v průmyslu. Většina průmyslových podniků pracuje na elektrické energii. Vysoká spotřeba elektrické energie je typická pro energeticky náročná odvětví, jako je metalurgie, hliník a strojírenství.
To vyvolává problém efektivního využití této energie. Při přenosu elektřiny na velké vzdálenosti od výrobce ke spotřebiteli se tepelné ztráty po přenosovém vedení zvyšují úměrně druhé mocnině proudu, tzn. pokud se proud zdvojnásobí, tepelné ztráty se zvýší 4krát. Proto je žádoucí, aby proud ve vedení byl malý. K tomu se zvyšuje napětí na přenosové lince. Elektřina se přenáší vedením, kde napětí dosahuje stovek tisíc voltů. V blízkosti měst, která přijímají energii z přenosových vedení, se toto napětí zvýší na několik tisíc voltů pomocí transformátoru snižujícího napětí. V samotném městě v rozvodnách napětí klesne na 220 voltů.
Naše země zabírá velké území, téměř 12 časových pásem. To znamená, že zatímco v některých regionech je spotřeba elektřiny na maximu, v jiných již pracovní den skončil a spotřeba klesá. Pro racionální využití elektřiny vyrobené v elektrárnách jsou sdruženy do elektroenergetických soustav jednotlivých regionů: evropská část, Sibiř, Ural, Dálný východ atd. Toto sjednocení umožňuje efektivnější využití elektřiny koordinací provozu jednotlivých elektráren. Nyní jsou různé energetické systémy sjednoceny do jediného energetického systému Ruska.
Další příležitostí pro efektivní využití je snížení spotřeby energie pomocí energeticky úsporných technologií a moderních zařízení spotřebovávajících minimální množství elektrické energie. Příkladem může být výroba oceli. Jestliže v 60. letech byla hlavní metodou tavení oceli metoda na otevřeném ohni (72 % veškerého tavení), pak v 90. letech byla tato technologie tavení nahrazena účinnějšími metodami: kyslíkovým konvertorem a výrobou oceli v elektrických pecích.
LITERATURA:
1. Koltun M. Svět fyziky: Vědecká a umělecká literatura. - M.: Det. lit., 1984.- 271 s.
2. Maksakovsky V.P. Zeměpisný obraz světa. Část 1. Obecná charakteristika světa. - Jaroslavl: Verkh.-Volzh. rezervovat nakladatelství, 1995.- 320 s.
3. Ellion L., Wilkons U. Physics. - M.: Nauka, 1967.- 808 s.
4. Encyklopedický slovník mladého fyzika / Komp. V.A. Čujanov. - M.: Pedagogika, 1984.- 352 s.
Přenos elektřiny je proces, který zahrnuje dodávku elektřiny spotřebitelům. Elektřinu vyrábí ve vzdálených výrobních zdrojích (elektrárnách) obrovské generátory využívající uhlí, zemní plyn, vodu, jaderné štěpení nebo vítr.
Proud je přenášen přes transformátory, které zvyšují jeho napětí. Právě vysoké napětí je ekonomicky výhodné při přenosu energie na velké vzdálenosti. Vedení vysokého napětí se rozprostírá po celé zemi. Elektrický proud se přes ně dostává do rozvoden u velkých měst, kde se jeho napětí snižuje a posílá do malých (distribučních) elektrických vedení. Elektrický proud prochází rozvody v každé části města a končí v transformátorových skříních. Transformátory snižují napětí na určitou standardní hodnotu, která je bezpečná a nezbytná pro provoz domácích zařízení. Proud vstupuje do domu přes dráty a prochází měřičem, který ukazuje množství spotřebované energie.
Transformátor je statické zařízení, které přeměňuje střídavý elektrický proud jednoho napětí na střídavý proud jiného napětí bez změny jeho frekvence. Může pracovat pouze se střídavým proudem.
Hlavní konstrukční části transformátoru
Zařízení se skládá ze tří hlavních částí:
- Primární vinutí transformátoru. Počet závitů N 1.
- Uzavřené jádro vyrobené z měkkého magnetického materiálu (například oceli).
- Sekundární vinutí. Počet závitů N 2.
Na obrázcích je transformátor znázorněn následovně:
Princip činnosti
Provoz výkonového transformátoru je založen na Faradayově zákonu elektromagnetické indukce.
Mezi dvěma samostatnými vinutími (primárním a sekundárním), která jsou spojena společným magnetickým tokem, dochází k vzájemné indukci. Vzájemná indukce je proces, při kterém primární vinutí indukuje napětí v sekundárním vinutí umístěném v jeho těsné blízkosti.
Primární vinutí přijímá střídavý proud, který po připojení ke zdroji energie vytváří magnetický tok. Magnetický tok prochází jádrem a protože se v průběhu času mění, vybudí indukované emf v sekundárním vinutí. Proudové napětí na druhém vinutí může být nižší než na prvním, pak se transformátor nazývá snižovací transformátor. Zvyšovací transformátor má vyšší proudové napětí na sekundárním vinutí. Aktuální frekvence zůstává nezměněna. Efektivní snížení nebo zvýšení napětí nemůže zvýšit elektrický výkon, takže proud na výstupu transformátoru je úměrně zvýšen nebo snížen.
Pro hodnoty amplitudy napětí na vinutí lze napsat následující výraz:
k - transformační koeficient.
Pro zvyšovací transformátor k>1 a pro klesající transformátor - k<1.
Během provozu skutečného zařízení vždy dochází ke ztrátě energie:
- vinutí se zahřejí;
- práce je vynaložena na magnetizaci jádra;
- V jádře vznikají Foucaultovy proudy (mají tepelný účinek na masivní jádro).
Pro snížení tepelných ztrát nejsou jádra transformátorů vyrobena z jednoho kusu kovu, ale z tenkých desek, mezi nimiž je umístěno dielektrikum.
Úroveň výroby a spotřeby energie je v naší době jedním z nejdůležitějších ukazatelů rozvoje výrobních sil společnosti. Hlavní roli zde hraje elektřina - nejuniverzálnější a nejpohodlnější forma energie. Pokud se spotřeba energie ve světě zdvojnásobí za cca 25 let, pak za 10 let dojde v průměru ke 2násobnému zvýšení spotřeby elektřiny. To znamená, že stále více energeticky náročných procesů se přeměňuje na elektřinu.
Výroba elektřiny. Elektřina se vyrábí ve velkých a malých elektrárnách převážně pomocí elektromechanických indukčních generátorů. Existují dva hlavní typy elektráren: tepelné a vodní. Tyto elektrárny se liší v motorech, které otáčejí rotory generátoru.
V tepelných elektrárnách je zdrojem energie palivo: uhlí, plyn, ropa, topný olej, roponosná břidlice. Rotory elektrických generátorů jsou poháněny parními a plynovými turbínami nebo spalovacími motory. Nejekonomičtější jsou velké elektrárny s tepelnou parní turbínou (zkráceně TPP). Většina tepelných elektráren u nás využívá jako palivo uhelný prach. K výrobě 1 kW. hodin elektřiny se spotřebuje několik set gramů uhlí. V parním kotli se přes 90 % energie uvolněné palivem přenáší na páru. V turbíně se kinetická energie parních paprsků přenáší na rotor. Hřídel turbíny je pevně spojena s hřídelí generátoru. Parní turbogenerátory jsou velmi rychlé: rychlost rotoru je několik tisíc za minutu.
Z kursu fyziky 10. ročníku je známo, že účinnost tepelných strojů roste s rostoucí teplotou ohřívače a tím i počáteční teplotou pracovní tekutiny (pára, plyn). Proto je pára vstupující do turbíny uvedena do vysokých parametrů: teplota - téměř 550 ° C a tlak - až 25 MPa. Účinnost tepelných elektráren dosahuje 40 %. Většina energie se ztrácí spolu s horkou výfukovou párou.
Tepelné elektrárny - tzv. kombinované teplárny (KVET) - umožňují využít významnou část energie z odpadní páry v průmyslových podnicích a pro potřeby domácností (pro vytápění a zásobování teplou vodou). Díky tomu dosahuje účinnost tepelné elektrárny 60-70%. V současné době v Rusku zajišťují tepelné elektrárny asi 40 % veškeré elektřiny a zásobují elektřinou a teplem stovky měst.
Vodní elektrárny (HPP) využívají potenciální energii vody k otáčení rotorů generátorů. Rotory elektrických generátorů jsou poháněny hydraulickými turbínami. Výkon takové stanice závisí na rozdílu vodních hladin vytvořených přehradou (tlak) a na množství vody procházející turbínou každou sekundu (průtok vody).
Jaderné elektrárny (JE) hrají v energetice významnou roli. V současné době jaderné elektrárny v Rusku poskytují asi 10 % elektřiny.
Hlavní typy elektráren
Tepelné elektrárny se staví rychle a levně, ale do životního prostředí se dostává mnoho škodlivých emisí a přírodní zásoby energetických zdrojů jsou omezené.
Vodní elektrárny se staví déle a jsou dražší; náklady na elektřinu jsou minimální, ale úrodná půda je zaplavena a výstavba je možná jen na určitých místech.
Jaderné elektrárny se staví dlouho a jsou drahé, ale elektřina je levnější než tepelné elektrárny, škodlivý dopad na životní prostředí není významný (při správném provozu), ale vyžaduje likvidaci radioaktivního odpadu.
Spotřeba elektřiny
Hlavním spotřebitelem elektřiny je průmysl, který se na vyrobené elektřiny podílí asi 70 %. Velkým spotřebitelem je také doprava. Stále větší počet železničních tratí je přestavován na elektrickou trakci. Téměř všechny vesnice a vesnice dostávají elektřinu z elektráren pro průmyslové a domácí potřeby. Každý ví o využití elektřiny pro osvětlení domácností a domácích elektrických spotřebičů.
Většina spotřebované elektřiny se nyní přeměňuje na mechanickou energii. Téměř všechny stroje v průmyslu jsou poháněny elektromotory. Jsou pohodlné, kompaktní a umožňují automatizaci výroby.
Zhruba třetina elektřiny spotřebované průmyslem se využívá pro technologické účely (elektrické svařování, elektrický ohřev a tavení kovů, elektrolýza atd.).
Moderní civilizace je nemyslitelná bez rozšířeného používání elektřiny. Přerušení dodávky elektřiny do velkého města i malých vesnic v případě havárie paralyzuje jejich životy.
Přenos elektřiny
Spotřebitelé elektřiny jsou všude. Vyrábí se na relativně malém počtu míst v blízkosti zdrojů paliv a vodních zdrojů. Elektřinu nelze šetřit ve velkém. Musí se spotřebovat ihned po obdržení. Proto je potřeba přenášet elektřinu na velké vzdálenosti.
Přenos elektřiny je spojen se znatelnými ztrátami, protože elektrický proud ohřívá dráty elektrického vedení. V souladu s Joule-Lenzovým zákonem je energie vynaložená na ohřev vodičů vedení určena vzorcem Q = I2Rt, kde R je odpor vedení.
Pokud je délka vedení velmi dlouhá, přenos energie se může stát ekonomicky nerentabilní. Výrazně snížit odpor vedení R je prakticky velmi obtížné. Musíte snížit proud.
Proto se u velkých elektráren instalují stupňovité transformátory. Transformátor zvyšuje napětí ve vedení tolikrát, kolikrát snižuje proud.
Čím delší je přenosové vedení, tím výhodnější je použití vyššího napětí. Ve vysokonapěťové přenosové lince Volzhskaya HPP - Moskva a některých dalších se tedy používá napětí 500 kV. Mezitím jsou generátory střídavého proudu nastaveny na napětí nepřesahující 16-20 kV. Vyšší napětí by vyžadovala složitá speciální opatření k izolaci vinutí a dalších částí generátorů.
Pro přímé využití elektřiny v elektrických hnacích motorech obráběcích strojů, v osvětlovací síti a pro jiné účely je nutné snížit napětí na koncích vedení. Toho je dosaženo pomocí redukčních transformátorů. Obecné schéma přenosu energie a její rozložení je na obrázku.
Obvykle se snížení napětí a v důsledku toho zvýšení proudu provádí v několika fázích. V každé fázi se napětí snižuje a zmenšuje a území pokryté elektrickou sítí se rozšiřuje.
Pokud je napětí velmi vysoké, může mezi dráty začít výboj, což vede ke ztrátě energie. Přípustná amplituda střídavého napětí musí být taková, aby pro danou plochu průřezu drátu byly ztráty energie v důsledku výboje nevýznamné.
Elektrické elektrárny v řadě regionů země jsou propojeny vysokonapěťovými elektrickými vedeními, které tvoří společnou elektrickou síť, ke které jsou připojeni spotřebitelé. Tato kombinace, nazývaná elektrická síť, umožňuje vyrovnat špičky spotřeby energie v ranních a večerních hodinách. Energetický systém zajišťuje nepřetržitou dodávku energie spotřebitelům bez ohledu na jejich umístění. Nyní je téměř celé území naší země zásobováno elektřinou integrovanými energetickými systémy. V provozu je Jednotný energetický systém evropské části země.
Střídavé napětí lze převádět - zvyšovat nebo snižovat.
Zařízení, která lze použít k převodu napětíse nazývají transformátory. Provoz transformátorů je založen na fenomén elektromagnetické indukce.
Transformátorové zařízení
Transformátor se skládá z feromagnetické jádro, na kterém jsou umístěny dvě cívky.
Primární vinutí se nazývá cívka připojená ke zdroji střídavého napětí U 1 .
Sekundární vinutí se nazývá cívku, kterou lze připojit k zařízením spotřebovávajícím elektrickou energii.
Zařízení, která spotřebovávají elektrickou energii působí jako zátěž a na nich se vytváří střídavé napětí U 2 .
Li U 1 >U 2 , Že transformátor se nazývá snižovací transformátor, a pokud U 2 >U 1 - pak zvýšení.
Princip činnosti
V primárním vinutí vzniká střídavý proud, proto v něm vzniká střídavý magnetický tok. Tento tok je uzavřen ve feromagnetickém jádru a proniká každým závitem obou vinutí. V každém ze závitů obou vinutí se objeví stejné indukované emfE i 0
Pokud n 1 a n 2 je počet závitů v primárním a sekundárním vinutí, v tomto pořadí
Indukční EMF v primárním vinutí E i 1 = n 1 * E i 0 Indukční EMF v sekundárním vinutí E i 2 = n 1 * E i 0
KdeE i 0 - Indukční emf vznikající v jednom otočení sekundární a primární cívky .
Přenos elektřiny
P 
Přenos elektrické energie z elektráren do velkých měst nebo průmyslových center na vzdálenosti tisíce kilometrů je složitý vědeckotechnický problém. Energetické (výkonové) ztráty pro topné vodiče lze vypočítat pomocí vzorce
Pro snížení ztrát v důsledku ohřevu vodičů je nutné zvýšit napětí. Typicky jsou elektrická vedení stavěna pro napětí 400–500 kV, zatímco ve vedení používá se střídavý proud s frekvencí 50 Hz. Obrázek ukazuje schéma vedení přenosu elektřiny z elektrárny ke spotřebiteli. Diagram poskytuje představu o použití transformátorů při přenosu energie
41. Elektromagnetické pole a elektromagnetické vlny. Rychlost elektromagnetických vln. Vlastnosti elektromagnetického vlnění. Myšlenky Maxwellovy teorie
Existenci elektromagnetických vln teoreticky předpověděl velký anglický fyzik J. Maxwell v roce 1864. Maxwell zavedl tento koncept do fyziky vírové elektrické pole a navrhl nový výklad zákona elektromagnetická indukce, objevil Faraday v roce 1831:
Jakákoli změna magnetického pole generuje v okolním prostoru vírové elektrické pole .
Maxwell předpokládal existenci obráceného procesu:
Časově proměnlivé elektrické pole vytváří magnetické pole v okolním prostoru.
Jakmile je proces vzájemného generování magnetických a elektrických polí započat, musí pak nepřetržitě pokračovat a zachycovat stále nové a nové oblasti vesmíru.
Závěr:
Existuje zvláštní forma hmoty – elektromagnetické pole – které se skládá z vírových elektrických a magnetických polí, která se navzájem generují.
Charakterizuje se elektromagnetické pole dvě vektorové veličiny - napětíE vírové elektrické pole a indukceV magnetické pole.
Proces šíření měnících se vírových elektrických a magnetických polí v prostoru se nazýváelektromagnetická vlna.
Maxwellova hypotéza byla pouze teoretickým předpokladem, který neměl experimentální potvrzení, ale na jeho základě se Maxwellovi podařilo sepsat konzistentní systém rovnic popisujících vzájemné přeměny elektrického a magnetického pole, tedy soustavu rovnic. elektromagnetické pole(Maxwellovy rovnice)
