Všetky technologické procesy akejkoľvek výroby sú spojené so spotrebou energie. Na ich realizáciu sa vynakladá veľká väčšina energetických zdrojov.
Najdôležitejšiu úlohu v priemyselnom podniku zohráva elektrická energia – najuniverzálnejší druh energie, ktorá je hlavným zdrojom mechanickej energie.
K premene rôznych druhov energie na elektrickú energiu dochádza pri elektrárne .
Elektrárne sú podniky alebo zariadenia určené na výrobu elektriny. Palivom pre elektrárne sú prírodné zdroje – uhlie, rašelina, voda, vietor, slnko, jadrová energia atď.
Podľa druhu premieňanej energie možno elektrárne rozdeliť na tieto hlavné typy: tepelné, jadrové, vodné elektrárne, prečerpávacie, plynové turbíny, ako aj nízkoenergetické lokálne elektrárne – veterné, solárne, geotermálne, prílivová, naftová a pod.
Prevažná časť elektriny (až 80 %) sa vyrába v tepelných elektrárňach (TPP). Proces získavania elektrickej energie v tepelnej elektrárni spočíva v postupnej premene energie spaľovaného paliva na tepelnú energiu vodnej pary, ktorá poháňa rotáciu turbínového agregátu (parná turbína spojená s generátorom). Mechanická energia rotácie je generátorom premenená na elektrickú energiu. Palivom pre elektrárne je uhlie, rašelina, ropná bridlica, zemný plyn, ropa, vykurovací olej a drevný odpad.
Pri ekonomickej prevádzke tepelných elektrární, t.j. pri súčasnom dodaní optimálneho množstva elektriny a tepla spotrebiteľom dosahuje ich účinnosť viac ako 70 %. V období, keď sa odber tepla úplne zastaví (napríklad mimo vykurovacieho obdobia), účinnosť stanice klesá.
Jadrové elektrárne (JE) sa líšia od klasickej parnej turbínovej stanice tým, že jadrová elektráreň využíva ako zdroj energie proces štiepenia jadier uránu, plutónia, tória a pod., v dôsledku štiepenia týchto materiálov v špeciálnych zariadení – reaktorov, sa uvoľňuje obrovské množstvo tepelnej energie.
V porovnaní s tepelnými elektrárňami spotrebujú jadrové elektrárne malé množstvo paliva. Takéto stanice môžu byť postavené kdekoľvek, pretože nesúvisia s polohou prírodných zásob paliva. Navyše životné prostredie neznečisťuje dym, popol, prach a oxid siričitý.
Vo vodných elektrárňach (VE) sa vodná energia premieňa na elektrickú energiu pomocou hydraulických turbín a generátorov, ktoré sú k nim pripojené.
Existujú priehradové a odkláňacie typy vodných elektrární. Priehradné vodné elektrárne sa používajú na nížinných riekach s nízkym tlakom, odvodné vodné elektrárne (s obtokovými kanálmi) na horských riekach s veľkými spádmi a nízkym prietokom vody. Treba si uvedomiť, že prevádzka vodných elektrární závisí od výšky hladiny určovanej prírodnými podmienkami.
Výhodou vodných elektrární je ich vysoká účinnosť a nízke náklady na vyrobenú elektrinu. Treba však brať do úvahy vysoké investičné náklady pri výstavbe vodných elektrární a značný čas potrebný na ich výstavbu, ktorý určuje ich dlhú dobu návratnosti.
Zvláštnosťou prevádzky elektrární je, že musia vyrábať toľko energie, koľko je v súčasnosti potrebné na pokrytie zaťaženia spotrebiteľov, vlastných potrieb staníc a strát v sieťach. Staničné zariadenia preto musia byť vždy pripravené na periodické zmeny v záťaži spotrebiteľov počas dňa alebo roka.
Väčšina elektrární je integrovaná do energetické systémy , každý z nich má nasledujúce požiadavky:
- Korešpondencia výkonu generátorov a transformátorov s maximálnym výkonom spotrebiteľov elektriny.
- Dostatočná kapacita elektrických vedení (PTL).
- Zabezpečenie neprerušovaného napájania vysokokvalitnou energiou.
- Nákladovo efektívne, bezpečné a ľahko použiteľné.
Na splnenie týchto požiadaviek sú energetické sústavy vybavené špeciálnymi riadiacimi centrami vybavenými monitorovacími, riadiacimi, komunikačnými prostriedkami a špeciálnym usporiadaním elektrární, prenosových vedení a znižovacích rozvodní. Riadiace centrum prijíma potrebné údaje a informácie o stave technologického procesu v elektrárňach (spotreba vody a paliva, parametre pary, otáčky turbíny atď.); o prevádzke systému - ktoré prvky systému (vedení, transformátory, generátory, záťaže, kotly, parovody) sú momentálne odpojené, ktoré sú v prevádzke, v zálohe atď.; o elektrických parametroch režimu (napätia, prúdy, činné a jalové výkony, frekvencia atď.).
Prevádzka elektrární v systéme umožňuje vďaka veľkému počtu paralelne pracujúcich generátorov zvýšiť spoľahlivosť dodávky energie spotrebiteľom, plne zaťažiť najúspornejšie jednotky elektrární a znížiť náklady na elektrickú energiu. generácie. Okrem toho sa znižuje inštalovaná kapacita záložných zariadení v elektrizačnej sústave; zabezpečuje vyššiu kvalitu elektriny dodávanej spotrebiteľom; zvyšuje sa jednotkový výkon jednotiek, ktoré je možné inštalovať do systému.
V Rusku, podobne ako v mnohých iných krajinách, sa na výrobu a distribúciu elektriny používa trojfázový striedavý prúd s frekvenciou 50 Hz (v USA a mnohých ďalších krajinách 60 Hz). Trojfázové siete a inštalácie sú hospodárnejšie v porovnaní s jednofázovými inštaláciami striedavého prúdu a tiež umožňujú široké využitie najspoľahlivejších, jednoduchých a lacných asynchrónnych elektromotorov ako elektrického pohonu.
Spolu s trojfázovým prúdom sa v niektorých odvetviach používa jednosmerný prúd, ktorý sa získava usmerňovaním striedavého prúdu (elektrolýza v chemickom priemysle a metalurgii neželezných kovov, elektrifikovaná doprava a pod.).
Elektrickú energiu vyrobenú v elektrárňach je potrebné previesť na miesta spotreby, predovšetkým do veľkých priemyselných centier krajiny, ktoré sú od výkonných elektrární vzdialené stovky a niekedy aj tisíce kilometrov. Prenášať elektrinu však nestačí. Musí byť distribuovaný medzi mnohých rôznych spotrebiteľov – priemyselné podniky, doprava, obytné budovy atď. Prenos elektriny na veľké vzdialenosti sa uskutočňuje pri vysokom napätí (až 500 kW alebo viac), čo zaisťuje minimálne elektrické straty v elektrických vedeniach a vedie k veľkým úsporám materiálov v dôsledku zmenšenia prierezov vodičov. Preto je v procese prenosu a distribúcie elektrickej energie potrebné zvyšovať a znižovať napätie. Tento proces sa uskutočňuje prostredníctvom elektromagnetických zariadení nazývaných transformátory. Transformátor nie je elektrický stroj, pretože jeho práca nesúvisí s premenou elektrickej energie na mechanickú energiu a naopak; len premieňa napätie na elektrickú energiu. Napätie sa zvyšuje pomocou stupňovitých transformátorov v elektrárňach a napätie sa znižuje pomocou znižovacích transformátorov v spotrebiteľských rozvodniach.
Medzičlánkom na prenos elektriny z trafostaníc do prijímačov elektriny sú Elektrina siete .
Trafostanica je elektroinštalácia určená na premenu a rozvod elektrickej energie.
Rozvodne môžu byť zatvorené alebo otvorené v závislosti od umiestnenia ich hlavného zariadenia. Ak je zariadenie umiestnené v budove, potom sa rozvodňa považuje za uzavretú; ak je vonku, tak otvorte.
Zariadenie rozvodne je možné zostaviť z jednotlivých prvkov zariadenia alebo z blokov dodávaných zmontovaných na inštaláciu. Rozvodne blokového dizajnu sa nazývajú úplné.
Zariadenie rozvodne zahŕňa zariadenia, ktoré spínajú a chránia elektrické obvody.
Hlavným prvkom rozvodní je výkonový transformátor. Konštrukčne sú výkonové transformátory navrhnuté tak, aby odvádzali čo najviac tepla z vinutí a jadra do okolia. Na tento účel je napríklad jadro s vinutiami ponorené do nádrže s olejom, povrch nádrže je rebrovaný, s rúrkovými radiátormi.
Suchými transformátormi je možné vybaviť kompletné trafostanice inštalované priamo vo výrobných priestoroch s výkonom do 1000 kVA.
Na zvýšenie účinníka elektrických inštalácií sú v rozvodniach inštalované statické kondenzátory na kompenzáciu jalového výkonu záťaže.
Automatický monitorovací a riadiaci systém pre zariadenia rozvodní monitoruje procesy prebiehajúce v záťaži a v napájacích sieťach. Vykonáva funkcie ochrany transformátora a sietí, odpája chránené priestory pomocou vypínača počas havarijných podmienok a vykonáva reštart a automatické zapínanie zálohy.
Transformátorové rozvodne priemyselných podnikov sú pripojené k napájacej sieti rôznymi spôsobmi v závislosti od požiadaviek na spoľahlivosť nepretržitého napájania spotrebiteľov.
Typické schémy poskytujúce neprerušované napájanie sú radiálne, hlavné alebo kruhové.
V radiálnych schémach sa vedenia, ktoré napájajú veľké elektrické prijímače, odchyľujú od rozvodnej dosky transformátorovej rozvodne: motory, skupinové distribučné body, ku ktorým sú pripojené menšie prijímače. Radiálne okruhy sa používajú v kompresorových a čerpacích staniciach, dielňach v prašnom priemysle s nebezpečenstvom výbuchu a požiaru. Poskytujú vysokú spoľahlivosť napájania, umožňujú široké použitie automatických riadiacich a ochranných zariadení, ale vyžadujú vysoké náklady na výstavbu rozvodných dosiek, kladenie káblov a vodičov.
Kufrové obvody sa používajú, keď je zaťaženie rovnomerne rozložené po ploche dielne, keď nie je potrebné stavať rozvádzač na rozvodni, čo znižuje náklady na objekt; možno použiť prefabrikované prípojnice, čo urýchli inštaláciu. Sťahovanie technologických zariadení zároveň nevyžaduje prerábanie siete.
Nevýhodou hlavného obvodu je nízka spoľahlivosť napájacieho zdroja, pretože v prípade poškodenia hlavného vedenia sú všetky elektrické prijímače, ktoré sú k nemu pripojené, vypnuté. Inštalácia prepojok medzi sieť a použitie ochrany však výrazne zvyšuje spoľahlivosť napájania s minimálnymi nákladmi na redundanciu.
Z rozvodní sa nízkonapäťový prúd priemyselnej frekvencie rozvádza po dielňach pomocou káblov, vodičov, prípojníc od dielenského rozvádzača až po elektrické pohonné zariadenia jednotlivých strojov.
Prerušenia dodávky energie do podnikov, aj krátkodobé, vedú k poruchám v technologickom procese, znehodnoteniu výrobkov, poškodeniu zariadení a nenapraviteľným stratám. V niektorých prípadoch môže výpadok prúdu spôsobiť výbuch a nebezpečenstvo požiaru v podnikoch.
Podľa pravidiel elektroinštalácie sú všetky prijímače elektrickej energie rozdelené do troch kategórií podľa spoľahlivosti napájania:
- Energetické prijímače, pre ktoré je prerušenie dodávky elektrickej energie neprijateľné, pretože môže viesť k poškodeniu zariadenia, rozsiahlym chybám výrobkov, narušeniu zložitého technologického procesu, narušeniu prevádzky obzvlášť dôležitých prvkov mestskej ekonomiky a v konečnom dôsledku ohroziť životy ľudí. .
- Energetické prijímače, ktorých prerušenie napájania vedie k nesplneniu plánu výroby, prestojom pracovníkov, strojov a priemyselnej dopravy.
- Ostatné prijímače elektrickej energie, napríklad nesériové a pomocné výrobné prevádzky, sklady.
Prívod elektrickej energie do prijímačov elektrickej energie prvej kategórie musí byť v každom prípade zabezpečený a v prípade prerušenia musí byť automaticky obnovený. Preto musia mať takéto prijímače dva nezávislé zdroje energie, z ktorých každý ich môže plne zásobovať elektrickou energiou.
Prijímače elektriny druhej kategórie môžu mať záložný zdroj napájania, ktorý pripojí obsluhujúci personál po určitom čase po výpadku hlavného zdroja.
Pre prijímače tretej kategórie sa spravidla neposkytuje záložný zdroj energie.
Napájanie podnikov je rozdelené na externé a interné. Externé napájanie je systém sietí a rozvodní od zdroja energie (energetický systém alebo elektráreň) po transformátorovú rozvodňu podniku. Prenos energie sa v tomto prípade uskutočňuje pomocou káblového alebo nadzemného vedenia s menovitým napätím 6, 10, 20, 35, 110 a 220 kV. Vnútorné zásobovanie energiou zahŕňa systém distribúcie energie v rámci dielní podniku a na jeho území.
Do výkonovej záťaže (elektromotory, elektrické pece) sa privádza napätie 380 alebo 660 V a do svetelnej záťaže 220 V Pre zníženie strát je vhodné pripojiť motory s výkonom 200 kW a viac napätie 6 alebo 10 kV.
Najbežnejšie napätie v priemyselných podnikoch je 380 V. Vo veľkom sa zavádza napätie 660 V, čo umožňuje znížiť energetické straty a spotrebu neželezných kovov v sieťach nízkeho napätia, zväčšiť dosah dielenských rozvodní a výkon napr. každý transformátor na 2500 kVA. V niektorých prípadoch je pri napätí 660 V ekonomicky opodstatnené použiť asynchrónne motory s výkonom do 630 kW.
Rozvod elektriny sa vykonáva pomocou elektrického vedenia - súboru vodičov a káblov s príslušnými upevňovacími, nosnými a ochrannými konštrukciami.
Vnútorné vedenie je elektrické vedenie inštalované vo vnútri budovy; vonkajšie - vonku, pozdĺž vonkajších stien budovy, pod prístreškami, na podperách. V závislosti od spôsobu inštalácie môže byť vnútorné vedenie otvorené, ak je položené na povrchu stien, stropov atď., a skryté, ak je položené v konštrukčných prvkoch budov.
Vedenie je možné položiť izolovaným drôtom alebo nepancierovým káblom s prierezom do 16 mm2. V miestach možného mechanického vplyvu sú elektrické rozvody uzavreté v oceľových rúrach a utesnené, ak je prostredie miestnosti výbušné alebo agresívne. Na obrábacích a tlačiarenských strojoch sa elektroinštalácia vykonáva v rúrkach, v kovových rukávoch, s drôtom s polyvinylchloridovou izoláciou, ktorá sa nezničí vystavením strojným olejom. Veľký počet vodičov riadiaceho systému elektrického vedenia stroja je uložený v podnosoch. Prípojnice sa používajú na prenos elektriny v dielňach s veľkým počtom výrobných strojov.
Na prenos a rozvod elektriny sa široko používajú silové káble v gumových a olovených plášťoch; neozbrojené a obrnené. Káble môžu byť uložené v káblových kanáloch, namontované na stenách, v zemných výkopoch alebo zapustené do stien.
VYUŽÍVANIE ELEKTRINY V RÔZNYCH ODBOROCH VEDY
A VPLYV VEDY NA VYUŽÍVANIE ELEKTRINY V ŽIVOTE
Dvadsiate storočie sa stalo storočím, kedy veda preniká do všetkých sfér spoločenského života: do ekonomiky, politiky, kultúry, vzdelávania atď. Prirodzene, veda priamo ovplyvňuje vývoj energie a rozsah použitia elektriny. Veda na jednej strane prispieva k rozširovaniu možností využitia elektrickej energie a tým aj k zvyšovaniu jej spotreby, no na druhej strane v dobe, keď neobmedzené využívanie neobnoviteľných zdrojov energie predstavuje nebezpečenstvo pre budúce generácie, je naliehavá úlohami vedy je vývoj technológií na úsporu energie a ich implementácia do života.
Pozrime sa na tieto otázky na konkrétnych príkladoch. Približne 80 % rastu HDP (hrubého domáceho produktu) vyspelých krajín sa dosahuje prostredníctvom technických inovácií, ktorých hlavná časť súvisí s využívaním elektrickej energie. Všetko nové v priemysle, poľnohospodárstve a každodennom živote k nám prichádza vďaka novému vývoju v rôznych odvetviach vedy.
Väčšina vedeckého vývoja začína teoretickými výpočtami. Ak sa však v 19. storočí tieto výpočty robili pomocou pera a papiera, potom vo veku STR (vedeckej a technologickej revolúcie) sa všetky teoretické výpočty, výber a analýza vedeckých údajov a dokonca aj lingvistická analýza literárnych diel vykonávajú pomocou počítačov. (elektronické počítače), ktoré pracujú na elektrickej energii, ktorá je najvhodnejšia na jej prenos na diaľku a jej využitie. Ak sa však počítače pôvodne používali na vedecké výpočty, teraz sa počítače dostali z vedy do života.
Teraz sa používajú vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti: na zaznamenávanie a uchovávanie informácií, vytváranie archívov, prípravu a úpravu textov, vykonávanie kresliarskych a grafických prác, automatizáciu výroby a poľnohospodárstva. Elektronizácia a automatizácia výroby sú najdôležitejšími dôsledkami „druhej priemyselnej“ alebo „mikroelektronickej“ revolúcie v ekonomikách vyspelých krajín. Rozvoj komplexnej automatizácie priamo súvisí s mikroelektronikou, ktorej kvalitatívne nová etapa začala po vynájdení mikroprocesora v roku 1971 - mikroelektronického logického zariadenia zabudovaného do rôznych zariadení na riadenie ich činnosti.
Mikroprocesory urýchlili rast robotiky. Väčšina dnes používaných robotov patrí do takzvanej prvej generácie a používa sa pri zváraní, rezaní, lisovaní, poťahovaní atď. Roboty druhej generácie, ktoré ich nahrádzajú, sú vybavené zariadeniami na rozpoznávanie prostredia. A „inteligentné“ roboty tretej generácie „vidia“, „cítia“ a „počujú“. Vedci a inžinieri označujú jadrovú energiu, prieskum vesmíru, dopravu, obchod, skladovanie, lekársku starostlivosť, spracovanie odpadu a rozvoj bohatstva oceánskeho dna medzi oblasti s najvyššou prioritou pri používaní robotov. Väčšina robotov funguje na elektrickú energiu, ale nárast spotreby elektriny robotmi je kompenzovaný znížením nákladov na energiu v mnohých energeticky náročných výrobných procesoch v dôsledku zavádzania racionálnejších metód a nových energeticky úsporných technologických procesov.
Ale vráťme sa k vede. Všetky nové teoretické poznatky po počítačových výpočtoch sa testujú experimentálne. A spravidla sa v tejto fáze výskum vykonáva pomocou fyzikálnych meraní, chemických analýz atď. Tu sú nástroje vedeckého výskumu rozmanité – početné meracie prístroje, urýchľovače, elektrónové mikroskopy, skenery magnetickej rezonancie atď. Väčšina týchto nástrojov experimentálnej vedy je poháňaná elektrickou energiou.
Ale veda nevyužíva elektrinu len vo svojich teoretických a experimentálnych oblastiach, vedecké myšlienky neustále vznikajú v tradičnej oblasti fyziky spojenej s príjmom a prenosom elektriny. Vedci sa napríklad pokúšajú vytvoriť elektrické generátory bez rotujúcich častí. V konvenčných elektromotoroch musí byť rotor dodávaný jednosmerným prúdom, aby vznikla „magnetická sila“. Elektrický prúd musí byť privádzaný do elektromagnetu, ktorý „pracuje ako rotor“ (jeho rýchlosť otáčania dosahuje tri tisíce otáčok za minútu), cez vodivé uhlíkové kefky a krúžky, ktoré sa o seba trú a ľahko sa opotrebúvajú. Fyzici prišli s nápadom nahradiť rotor prúdom horúcich plynov, plazmovým prúdom, v ktorom je veľa voľných elektrónov a iónov. Ak prejdete takýmto prúdom medzi pólmi silného magnetu, potom v ňom podľa zákona elektromagnetickej indukcie vznikne elektrický prúd - prúd sa predsa pohybuje. Elektródy, pomocou ktorých je potrebné odoberať prúd z horúceho prúdu, môžu byť na rozdiel od uhlíkových kefiek bežných elektroinštalácií stacionárne. Nový typ elektrického stroja sa nazýva magnetohydrodynamický generátor.
V polovici dvadsiateho storočia vedci vytvorili originálny elektrochemický generátor, nazývaný palivový článok. Na elektródové dosky palivového článku sa privádzajú dva plyny – vodík a kyslík. Na platinových elektródach plyny odovzdávajú elektróny vonkajšiemu elektrickému obvodu, stávajú sa iónmi a po spojení sa menia na vodu. Elektrina aj voda sa získavajú z plynového paliva. Pohodlný, tichý a čistý zdroj energie na cestovanie na dlhé vzdialenosti, napríklad do vesmíru, kde sú oba produkty palivových článkov obzvlášť potrebné.
Ďalším originálnym spôsobom výroby elektriny, ktorý sa v poslednej dobe veľmi rozšíril, je premena slnečnej energie na elektrickú energiu „priamo“ – pomocou fotovoltaických zariadení (solárnych batérií). Je s nimi spojený vznik „solárnych domov“, „solárnych skleníkov“, „solárnych fariem“. Takéto solárne panely sa používajú aj vo vesmíre na poskytovanie elektriny vesmírnym lodiam a staniciam.
Veda v oblasti komunikácií a komunikácií sa veľmi rýchlo rozvíja. Satelitná komunikácia sa už nepoužíva len ako prostriedok medzinárodnej komunikácie, ale aj v bežnom živote – paraboly nie sú v našom meste ničím výnimočným. Nové komunikačné prostriedky, ako je technológia vlákien, môžu výrazne znížiť energetické straty v procese prenosu signálov na veľké vzdialenosti.
Veda neobišla ani sféru manažmentu. S rozvojom vedecko-technického pokroku a rozširovaním výrobných a nevýrobných sfér ľudskej činnosti začína čoraz dôležitejšiu úlohu pri zvyšovaní ich efektívnosti zohrávať manažment. Z istého druhu umenia, ktoré bolo donedávna založené na skúsenostiach a intuícii, sa dnes manažment zmenil na vedu. Veda o riadení, všeobecné zákony prijímania, uchovávania, prenosu a spracovania informácií sa nazývajú kybernetika. Tento výraz pochádza z gréckych slov „kormidelník“, „kormidelník“. Nachádza sa v dielach starovekých gréckych filozofov. K jeho znovuzrodeniu však v skutočnosti došlo v roku 1948, po vydaní knihy „Kybernetika“ od amerického vedca Norberta Wienera.
Pred začiatkom „kybernetickej“ revolúcie existovala iba papierová informatika, ktorej hlavným prostriedkom vnímania bol ľudský mozog a ktorá nevyužívala elektrinu. „Kybernetická“ revolúcia zrodila zásadne inú – strojovú informatiku, zodpovedajúcu giganticky zvýšeným tokom informácií, ktorých zdrojom energie je elektrina. Vznikli úplne nové prostriedky na získavanie informácií, ich akumuláciu, spracovanie a prenos, ktoré spolu tvoria komplexnú informačnú štruktúru. Zahŕňa automatizované riadiace systémy (automatizované riadiace systémy), informačné databanky, automatizované informačné databázy, počítačové centrá, video terminály, kopírovacie a fototelegrafické stroje, národné informačné systémy, satelitné a vysokorýchlostné optické komunikačné systémy – to všetko sa neobmedzene rozšírilo rozsah použitia elektriny.
Mnohí vedci sa domnievajú, že v tomto prípade hovoríme o novej „informačnej“ civilizácii, ktorá nahrádza tradičnú organizáciu spoločnosti priemyselného typu. Táto špecializácia sa vyznačuje nasledujúcimi dôležitými vlastnosťami:
· široké využitie informačných technológií v materiálnej a nehmotnej výrobe, v oblasti vedy, školstva, zdravotníctva a pod.;
· prítomnosť širokej siete rôznych databáz, vrátane verejných;
· premeniť informácie na jeden z najdôležitejších faktorov ekonomického, národného a osobného rozvoja;
· voľný obeh informácií v spoločnosti.
Takýto prechod od industriálnej spoločnosti k „informačnej civilizácii“ bol možný najmä vďaka rozvoju energie a poskytovaniu vhodného typu energie na prenos a využitie – elektrickej energie.
ELEKTRINA VO VÝROBE
Modernú spoločnosť si nemožno predstaviť bez elektrifikácie výrobných činností. Už koncom 80-tych rokov sa viac ako 1/3 všetkej spotreby energie na svete realizovalo vo forme elektrickej energie. Začiatkom budúceho storočia sa tento podiel môže zvýšiť na 1/2. Tento nárast spotreby elektriny je spojený predovšetkým s nárastom jej spotreby v priemysle. Väčšina priemyselných podnikov funguje na elektrickú energiu. Vysoká spotreba elektrickej energie je typická pre energeticky náročné odvetvia ako je hutníctvo, hliník a strojárstvo.
Vzniká tak problém efektívneho využitia tejto energie. Pri prenose elektriny na veľké vzdialenosti, od výrobcu k spotrebiteľovi, sa tepelné straty po prenosovom vedení zvyšujú úmerne so štvorcom prúdu, t.j. ak sa prúd zdvojnásobí, tepelné straty sa zvýšia 4-krát. Preto je žiaduce, aby bol prúd v vedeniach malý. Za týmto účelom sa zvýši napätie na prenosovej linke. Elektrina sa prenáša vedením, kde napätie dosahuje stovky tisíc voltov. V blízkosti miest, ktoré dostávajú energiu z prenosových liniek, sa toto napätie zvýši na niekoľko tisíc voltov pomocou transformátora. V samotnom meste v rozvodniach napätie klesne na 220 voltov.
Naša krajina zaberá veľké územie, takmer 12 časových pásiem. To znamená, že kým v niektorých regiónoch je spotreba elektriny na maxime, v iných sa pracovný deň už skončil a spotreba klesá. Pre racionálne využitie elektriny vyrobenej v elektrárňach sú združené do elektroenergetických sústav jednotlivých regiónov: európska časť, Sibír, Ural, Ďaleký východ a pod. Toto zjednotenie umožňuje efektívnejšie využitie elektriny koordináciou prevádzky. jednotlivých elektrární. Teraz sú rôzne energetické systémy spojené do jedného energetického systému Ruska.
Ďalšou možnosťou efektívneho využitia je znižovanie spotreby energie pomocou energeticky úsporných technológií a moderných zariadení, ktoré spotrebúvajú minimálne množstvo elektriny. Príkladom môže byť výroba ocele. Ak v 60. rokoch bola hlavnou metódou tavenia ocele metóda v otvorenom ohnisku (72 % všetkých tavieb), tak v 90. rokoch bola táto technológia tavenia nahradená efektívnejšími metódami: kyslíkovým konvertorom a výrobou ocele v elektrickej peci.
LITERATÚRA:
1. Koltun M. Svet fyziky: Vedecká a umelecká literatúra. - M.: Det. lit., 1984.- 271 s.
2. Maksakovsky V.P. Geografický obraz sveta. Časť 1. Všeobecné charakteristiky sveta. - Jaroslavľ: Verkh.-Voľž. kniha vydavateľstvo, 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.
Prenos elektriny je proces, ktorý zahŕňa dodávanie elektriny spotrebiteľom. Elektrinu vyrábajú na vzdialených výrobných zdrojoch (elektrárňach) obrovské generátory využívajúce uhlie, zemný plyn, vodu, jadrové štiepenie alebo vietor.
Prúd sa prenáša cez transformátory, ktoré zvyšujú jeho napätie. Práve vysoké napätie je ekonomicky výhodné pri prenose energie na veľké vzdialenosti. Vedenie vysokého napätia sa tiahne po celej krajine. Elektrický prúd sa cez ne dostáva do rozvodní pri veľkých mestách, kde sa jeho napätie znižuje a posiela do malých (distribučných) elektrických vedení. Elektrický prúd prechádza rozvodmi v každej časti mesta a končí v transformátorových skriniach. Transformátory znižujú napätie na určitú štandardnú hodnotu, ktorá je bezpečná a potrebná pre prevádzku domácich zariadení. Prúd vstupuje do domu cez drôty a prechádza cez merač, ktorý ukazuje množstvo spotrebovanej energie.
Transformátor je statické zariadenie, ktoré premieňa striedavý elektrický prúd jedného napätia na striedavý prúd iného napätia bez zmeny jeho frekvencie. Môže pracovať iba so striedavým prúdom.
Hlavné konštrukčné časti transformátora
Zariadenie sa skladá z troch hlavných častí:
- Primárne vinutie transformátora. Počet závitov N 1.
- Jadro uzavretého tvaru vyrobené z mäkkého magnetického materiálu (napríklad ocele).
- Sekundárne vinutie. Počet závitov N 2.
Na obrázkoch je transformátor znázornený takto:
Princíp činnosti
Činnosť výkonového transformátora je založená na Faradayovom zákone elektromagnetickej indukcie.
Medzi dvoma samostatnými vinutiami (primárnym a sekundárnym), ktoré sú spojené spoločným magnetickým tokom, dochádza k vzájomnej indukcii. Vzájomná indukcia je proces, pri ktorom primárne vinutie indukuje napätie v sekundárnom vinutí umiestnenom v jeho tesnej blízkosti.
Primárne vinutie prijíma striedavý prúd, ktorý po pripojení k zdroju energie vytvára magnetický tok. Magnetický tok prechádza jadrom a keďže sa časom mení, vybudí indukované emf v sekundárnom vinutí. Prúdové napätie na druhom vinutí môže byť nižšie ako na prvom, potom sa transformátor nazýva zostupný transformátor. Zvyšovací transformátor má vyššie prúdové napätie na sekundárnom vinutí. Aktuálna frekvencia zostáva nezmenená. Efektívne zníženie alebo zvýšenie napätia nemôže zvýšiť elektrický výkon, takže prúd na výstupe transformátora sa úmerne zvyšuje alebo znižuje.
Pre hodnoty amplitúdy napätia na vinutiach možno napísať nasledujúci výraz:
k - transformačný koeficient.
Pre znižovací transformátor k>1 a pre znižovací transformátor - k<1.
Počas prevádzky skutočného zariadenia vždy dochádza k strate energie:
- vinutia sa zahrievajú;
- práca sa vynakladá na magnetizáciu jadra;
- V jadre vznikajú Foucaultove prúdy (majú tepelný účinok na masívne jadro).
Na zníženie tepelných strát nie sú jadrá transformátorov vyrobené z jedného kusu kovu, ale z tenkých dosiek, medzi ktorými je umiestnené dielektrikum.
Úroveň výroby a spotreby energie je v našej dobe jedným z najdôležitejších ukazovateľov rozvoja výrobných síl spoločnosti. Vedúcu úlohu tu zohráva elektrina - najuniverzálnejšia a najpohodlnejšia forma energie. Ak sa spotreba energie vo svete zdvojnásobí za približne 25 rokov, potom za 10 rokov dôjde v priemere k 2-násobnému zvýšeniu spotreby elektriny. To znamená, že stále viac energeticky náročných procesov sa premieňa na elektrickú energiu.
Vytváranie energie. Elektrická energia sa vo veľkých a malých elektrárňach vyrába najmä pomocou elektromechanických indukčných generátorov. Existujú dva hlavné typy elektrární: tepelné a vodné. Tieto elektrárne sa líšia v motoroch, ktoré otáčajú rotory generátora.
V tepelných elektrárňach je zdrojom energie palivo: uhlie, plyn, ropa, vykurovací olej, ropná bridlica. Rotory elektrických generátorov sú poháňané parnými a plynovými turbínami alebo spaľovacími motormi. Najekonomickejšie sú veľké elektrárne s tepelnou parnou turbínou (skrátene TPP). Väčšina tepelných elektrární u nás využíva ako palivo uhoľný prach. Na výrobu 1 kW. hodín elektriny sa spotrebuje niekoľko stoviek gramov uhlia. V parnom kotli sa viac ako 90 % energie uvoľnenej palivom prenáša na paru. V turbíne sa kinetická energia prúdov pary prenáša na rotor. Hriadeľ turbíny je pevne spojený s hriadeľom generátora. Parné turbogenerátory sú veľmi rýchle: rýchlosť rotora je niekoľko tisíc za minútu.
Z kurzu fyziky 10. ročníka je známe, že účinnosť tepelných motorov sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou ohrievača a tým aj počiatočnou teplotou pracovnej tekutiny (para, plyn). Para vstupujúca do turbíny je preto privedená na vysoké parametre: teplota - takmer 550 ° C a tlak - až 25 MPa. Účinnosť tepelných elektrární dosahuje 40 %. Väčšina energie sa stráca spolu s horúcou výfukovou parou.
Tepelné elektrárne - takzvané kombinované teplárne (KVET) - umožňujú využiť významnú časť energie z odpadovej pary v priemyselných podnikoch a pre potreby domácností (na vykurovanie a zásobovanie teplou vodou). Výsledkom je, že účinnosť tepelnej elektrárne dosahuje 60-70%. V súčasnosti v Rusku zabezpečujú tepelné elektrárne asi 40 % všetkej elektriny a zásobujú elektrinou a teplom stovky miest.
Vodné elektrárne (HPP) využívajú potenciálnu energiu vody na otáčanie rotorov generátorov. Rotory elektrických generátorov sú poháňané hydraulickými turbínami. Výkon takejto stanice závisí od rozdielu hladín vytvorených priehradou (tlak) a od množstva vody, ktorá každú sekundu preteká turbínou (prietok vody).
Jadrové elektrárne (JE) zohrávajú významnú úlohu v energetickom sektore. V súčasnosti jadrové elektrárne v Rusku poskytujú približne 10 % elektriny.
Hlavné typy elektrární
Tepelné elektrárne sa stavajú rýchlo a lacno, no do životného prostredia sa dostáva veľa škodlivých emisií a prírodné zásoby energetických zdrojov sú obmedzené.
Vodné elektrárne sa stavajú dlhšie a sú drahšie; náklady na elektrinu sú minimálne, ale úrodné pôdy sú zaplavené a výstavba je možná len na určitých miestach.
Jadrové elektrárne sa stavajú dlho a sú drahé, ale elektrina je lacnejšia ako tepelné elektrárne, škodlivý vplyv na životné prostredie nie je významný (pri správnej prevádzke), ale vyžaduje si likvidáciu rádioaktívneho odpadu.
Spotreba elektriny
Hlavným spotrebiteľom elektriny je priemysel, ktorý tvorí asi 70 % vyrobenej elektriny. Veľkým spotrebiteľom je aj doprava. Čoraz viac železničných tratí sa prestavuje na elektrickú trakciu. Takmer všetky dediny a dediny dostávajú elektrinu z elektrární pre priemyselné a domáce potreby. Každý vie o používaní elektriny na osvetlenie domácností a domácich elektrických spotrebičov.
Väčšina spotrebovanej elektriny sa teraz premieňa na mechanickú energiu. Takmer všetky stroje v priemysle sú poháňané elektromotormi. Sú pohodlné, kompaktné a umožňujú automatizáciu výroby.
Asi tretina elektrickej energie spotrebovanej v priemysle sa využíva na technologické účely (elektrické zváranie, elektrický ohrev a tavenie kovov, elektrolýza atď.).
Moderná civilizácia je nemysliteľná bez rozšíreného používania elektriny. Prerušenie dodávky elektriny do veľkého mesta a aj malých dedín v prípade havárie paralyzuje ich život.
Prenos elektriny
Spotrebitelia elektriny sú všade. Vyrába sa na relatívne malom počte miest v blízkosti zdrojov palív a vodných zdrojov. Elektrina sa nedá šetriť vo veľkom. Musí sa spotrebovať ihneď po prijatí. Preto je potrebné prenášať elektrickú energiu na veľké vzdialenosti.
Prenos elektriny je spojený s citeľnými stratami, keďže elektrický prúd ohrieva vodiče elektrického vedenia. V súlade s Joule-Lenzovým zákonom je energia vynaložená na zahrievanie vodičov vedenia určená vzorcom Q = I2Rt, kde R je odpor vedenia.
Ak je dĺžka vedenia veľmi dlhá, prenos energie sa môže stať ekonomicky nerentabilným. Výrazne znížiť odpor vedenia R je prakticky veľmi ťažké. Musíte znížiť prúd.
Preto sa vo veľkých elektrárňach inštalujú stupňovité transformátory. Transformátor zvyšuje napätie vo vedení toľkokrát, koľkokrát znižuje prúd.
Čím dlhšia je prenosová linka, tým výhodnejšie je použiť vyššie napätie. Vo vysokonapäťovom prenosovom vedení Volzhskaya HPP - Moskva a niektorých ďalších sa teda používa napätie 500 kV. Medzitým sú generátory striedavého prúdu nastavené na napätie nepresahujúce 16-20 kV. Vyššie napätie by si vyžadovalo zložité špeciálne opatrenia na izoláciu vinutí a iných častí generátorov.
Na priame využitie elektriny v elektrických hnacích motoroch obrábacích strojov, v osvetľovacej sieti a na iné účely je potrebné znížiť napätie na koncoch vedenia. To je dosiahnuté pomocou transformátorov na zníženie. Všeobecná schéma prenosu energie a jej distribúcie je znázornená na obrázku.
Zvyčajne sa zníženie napätia, a teda zvýšenie prúdu, uskutočňuje v niekoľkých fázach. V každej fáze je napätie stále menšie a územie pokryté elektrickou sieťou sa rozširuje.
Ak je napätie veľmi vysoké, medzi vodičmi môže začať výboj, čo vedie k strate energie. Prípustná amplitúda striedavého napätia musí byť taká, aby pre danú plochu prierezu drôtu boli straty energie v dôsledku výboja zanedbateľné.
Elektrické elektrárne v mnohých regiónoch krajiny sú prepojené vysokonapäťovými elektrickými vedeniami, ktoré tvoria spoločnú elektrickú sieť, ku ktorej sú pripojení spotrebitelia. Táto kombinácia, nazývaná elektrická sieť, umožňuje vyrovnať špičku spotreby energie v ranných a večerných hodinách. Napájací systém zabezpečuje neprerušovanú dodávku energie spotrebiteľom bez ohľadu na ich umiestnenie. Teraz je takmer celé územie našej krajiny zásobované elektrickou energiou integrovanými energetickými systémami. Funguje Jednotný energetický systém európskej časti krajiny.
Striedavé napätie je možné previesť - zvýšiť alebo znížiť.
Zariadenia, ktoré možno použiť na konverziu napätiasa nazývajú transformátory. Prevádzka transformátorov je založená na fenomén elektromagnetickej indukcie.
Transformátorové zariadenie
Transformátor sa skladá z feromagnetické jadro, na ktorom sú umiestnené dve cievky.
Primárne vinutie je tzv cievka pripojená k zdroju striedavého napätia U 1 .
Sekundárne vinutie sa nazýva cievka, ktorú je možné pripojiť k zariadeniam, ktoré spotrebúvajú elektrickú energiu.
Zariadenia, ktoré spotrebúvajú elektrickú energiu pôsobia ako záťaž a cez ne sa vytvára striedavé napätie U 2 .
Ak U 1 >U 2 , To transformátor sa nazýva zostupný transformátor a ak U 2 >U 1 - potom zvýšenie.
Princíp činnosti
V primárnom vinutí sa vytvára striedavý prúd, preto v ňom vzniká striedavý magnetický tok. Tento tok je uzavretý vo feromagnetickom jadre a preniká každým závitom oboch vinutí. V každom zo závitov oboch vinutí sa objaví rovnaké indukované emfe i 0
Ak n 1 a n 2 sú počet závitov v primárnom a sekundárnom vinutí, potom
Indukčné EMF v primárnom vinutí e i 1 = n 1 * e i 0 Indukčné EMF v sekundárnom vinutí e i 2 = n 1 * e i 0
Kdee i 0 - Indukčné emf vznikajúce v jednom otočení sekundárnej a primárnej cievky .
Prenos elektriny
P 
Prenos elektrickej energie z elektrární do veľkých miest alebo priemyselných centier na vzdialenosti tisícok kilometrov je zložitý vedecko-technický problém. Straty energie (výkonu) vykurovacích vodičov možno vypočítať pomocou vzorca
Na zníženie strát v dôsledku zahrievania drôtov je potrebné zvýšiť napätie. Typicky sú elektrické vedenia postavené pre napätie 400–500 kV, zatiaľ čo vo vedení používa sa striedavý prúd s frekvenciou 50 Hz Na obrázku je znázornená schéma elektrického prenosového vedenia z elektrárne k spotrebiteľovi. Diagram poskytuje predstavu o použití transformátorov pri prenose energie
41. Elektromagnetické pole a elektromagnetické vlny. Rýchlosť elektromagnetických vĺn. Vlastnosti elektromagnetických vĺn. Myšlienky Maxwellovej teórie
Existenciu elektromagnetických vĺn teoreticky predpovedal veľký anglický fyzik J. Maxwell v roku 1864. Maxwell zaviedol tento koncept do fyziky vírivé elektrické pole a navrhol nový výklad zákona elektromagnetická indukcia, objavil Faraday v roku 1831:
Akákoľvek zmena magnetického poľa generuje vírivé elektrické pole v okolitom priestore .
Maxwell predpokladal existenciu opačného procesu:
Časovo premenné elektrické pole vytvára magnetické pole v okolitom priestore.
Po začatí procesu vzájomného vytvárania magnetických a elektrických polí musí pokračovať nepretržite a zachytávať stále nové a nové oblasti vesmíru.
Záver:
Existuje špeciálna forma hmoty – elektromagnetické pole – ktoré pozostáva z vírivých elektrických a magnetických polí, ktoré sa navzájom generujú.
Charakterizuje sa elektromagnetické pole dve vektorové veličiny – napätieE vírové elektrické pole a indukciaIN magnetické pole.
Proces šírenia meniacich sa vírivých elektrických a magnetických polí v priestore je tzvelektromagnetická vlna.
Maxwellova hypotéza bola iba teoretickým predpokladom, ktorý nemal experimentálne potvrdenie, ale na jeho základe sa Maxwellovi podarilo napísať konzistentný systém rovníc popisujúcich vzájomné premeny elektrického a magnetického poľa, teda sústavu rovníc. elektromagnetického poľa(Maxwellove rovnice)
