Как осуществляется производство (генерация) электрической энергии?
Производство (Генерация) электроэнергии — это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями. В настоящее время существуют следующие виды генерации:
Тепловая электроэнергетика . В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух основных видов:
Конденсационные ( КЭС , также используется старая аббревиатура ГРЭС). Конденсационной называют не комбинированную выработку электрической энергии;
Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ ). Теплофикацией называется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на одной и той же станции;
КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл , в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину , где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора — таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть. Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения;
Ядерная энергетика . К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе . Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д. Из-за некоторых конструктивных особенностей АЭС нерентабельно использовать в комбинированной выработке, хотя отдельные эксперименты в этом направлении проводились;
Гидроэнергетика . К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы;
Альтернативная энергетика . К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:
Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;
Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;
Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;
Геотермальная энергетика — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны;
Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах;
Стоит также отметить альтернативные виды гидроэнергетики : приливную и волновую энергетику. В этих случаях используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. Распространению этих видов электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы (и волнение моря соответственно) были бы достаточно сильны и постоянны. Например, побережье Чёрного моря не годится для строительства приливных электростанций, так как перепады уровня воды Чёрном море в прилив и отлив минимальны.
Способы получения и использования электрической энергии и энергии магнитного поля
Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).
Электрическая энергия применяется для:
- получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания;
- для проведения электрохимических реакций;
- получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах;
- для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).
Перечислим преимущества электрической энергии перед другими видами энергии:
- Без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества.
- Электрическая энергия является практически единственным видом энергии для искусственного освещения.
- Электрическую энергию легко преобразовать в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и др.), и наоборот, в электрическую энергию легко преобразуются любые другие виды энергии
- Электрическую энергию можно передавать практически на любые расстояния. Электрическую энергию удобно дробить на любые части в электрических цепях (мощность приемников электроэнергии может быть различна)
- Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии легко поддаются автоматизации, благодаря точности и чувствительности электрических методов контроля и управления.
- Процессы, в которых используется электрическая энергия, допускают простое управление (нажатие кнопки, выключателя и т.д.) Использование электрической энергии позволяет повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать почти все технологические процессы.
К недостаткам электрической энергии можно отнести невозможность запасать ее в больших количествах и сохранять эти запасы длительное время.
Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом. Магнитная энергия – это энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но плохо отдающих ее. Электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.
Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.
Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, например в теплоту.
| :: :: :: |
| Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» 2005-2024 г. © Все права защищены. 127473, г. Москва, улица Краснопролетарская, д. 16, стр. 1 Тел.: (495) 181-53-44 |
Процесс преобразования энергии в электрических машинах
Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели . Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели — для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.
В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции — паровой турбиной, на гидроэлектростанции — водяной турбиной.
Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.
Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.
Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразования энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле . В обмотке якоря индуцируется э. д. с. и возникает электрический ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.
Об осуществлении в электрической машине энергопреобразовательного процесса
Из основных электроэнергетических теорем Пуанкаре и Баркгаузена вытекают следующие положения:
1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии возможно только в том случае, если электрическая энергия является энергией переменного электрического тока;
2) для осуществления процесса такого энергопреобразования необходимо, чтобы в системе электрических контуров, предназначаемых для этой цели, была либо изменяющаяся электрическая индуктивность, либо изменяющаяся электрическая емкость,
3) для осуществления преобразования энергии переменного электрического тока в энергию постоянного электрического тока, необходимо, чтобы в предназначаемой для этой цели системе электрических контуров имелось изменяющееся электрическое сопротивление.
Из первого положения следует, что механическая энергия может преобразоваться в электрической машине только в энергию переменного электрического тока или обратно.
Кажущееся противоречие этого утверждения с фактом существования электрических машин постоянного тока разрешается тем, что в «машине постоянного тока» мы имеем двустадийное преобразование энергии.
Так, в случае электромашинного генератора постоянного тока мы имеем машину, в которой механическая энергия преобразуется в энергию переменного тока, а эта последняя, вследствие наличия особого устройства, представляющего собой «изменяющееся электрическое сопротивление», преобразуется в энергию постоянного тока.
В случае электромашинного двигателя процесс идет, очевидно, в обратном направлении: подводимая к электромашинному двигателю энергия постоянного электрического тока преобразуется посредством упомянутого изменяющегося сопротивления в энергию переменного электрического тока, а последняя — в энергию механическую.
Роль упомянутого изменяющегося электрического сопротивления выполняет «скользящий электрический контакт», который в обычной «коллекторной машине постоянного тока» состоит из «электромашинной щетки» и «электромашинного коллектора», а в «униполярной электрической машине постоянного тока» из «электромашинной щетки» и «электромашинных контактных колец».
Так как для создания в электрической машине процесса энергопреобразования необходимо наличие в ней или «изменяющейся электрической индуктивности», или «изменяющейся электрической емкости», то электрическую машину можно выполнить либо на принципе электромагнитной индукции, либо на принципе электрической индукции. В первом случае получаем «индуктивную машину», во втором — «емкостную машину».
Емкостные машины не имеют пока практического значения. Применяемые в промышленности, на транспорте и в быту электрические машины представляют собой индуктивные машины, за которыми на практике укоренилось краткое наименование «электрическая машина», являющееся, по существу, более широким понятием.
Принцип действия электрического генератора.
Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 1, а). В этом генераторе виток 1 представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3.
Рис. 1. Принципиальные схемы простейших генератора (а) и электродвигателя (б)
При вращении витка с некоторой частотой вращения n его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Ф и в каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 1, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно правилу правой руки направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом, — к нам.
Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток I. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.
Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле приходится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). При прохождении тока i по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила F.
При указанном на рис. 1, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная влево, а на проводник, расположенный под северным полюсом, — сила F, направленная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.
Из рассмотрения рис. 1, а видно, что электромагнитный момент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора.
Для того чтобы предотвратить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент Мвн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электромагнитного момента М, созданного током нагрузки генератора.
Следовательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию — вращать его якорь каким-либо двигателем 5.
При отсутствии нагрузки (при разомкнутой внешней цепи генератора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе.
При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Рэл, увеличиваются ток I, проходящий по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механическая мощность Рмх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.
Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.
Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора следует, что характерным для него является:
1. совпадение по направлению тока i и э. д. с. в проводниках обмотки якоря. Это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию;
2. возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленного против вращения якоря. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.
Принцип действия электрического двигателя.
Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток 1 (рис. 1,б), расположенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле полюсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря.
Если подключить виток к источнику электрической энергии, например к электрической сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток I. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы F.
При указанном на рис. 1, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,— сила F, направленная влево. В результате совместного действия этих сил создается электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой n . Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент Мвн, создаваемый этим устройством, будет направлен против электромагнитного момента М.
Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, работающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется но правилу правой руки. Следовательно, при указанном на рис. 1, б направлении вращение э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 1, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом проводнике, направлены против тока i, т. е. они препятствуют его прохождению по проводникам.
Для того чтобы ток i продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель продолжал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение U, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. Е, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходимо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.
При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, приложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внешнего источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.
При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электродвигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдаваемой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает автоматически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.
Из рассмотренных выше условий работы электрического двигателя следует, что характерным для него является:
1. совпадение по направлению электромагнитного момента М и частоты вращения n. Это характеризует отдачу машиной механической энергии;
2. возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с., направленной против тока i и внешнего напряжения U. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.
Принцип обратимости электрических машин
Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего.
Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током.
Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.
Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин . Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.
Рис. 2. Направление э. д. с. Е, тока I, частоты вращения якоря n и электромагнитного момента М при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах
Для выяснения этого положения рассмотрим работу электрической машины постоянного тока при различных условиях. Если внешнее напряжение U больше суммарной э. д. с. E. во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток I будет проходить в указанном на рис. 2, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую.
Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения U, то ток I в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 2, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который будет направлен против частоты вращения n . Совпадение по направлению э. д. с. Е и тока I означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента М говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию.
Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети U, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при E < U машина работает двигателем, при E >U — генератором.
Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение U источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. E в обмотке якоря.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Виды химической энергии, способы ее получения, преобразования и аккумулирования
Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горения топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах.
Одной из перспективных отраслей энергетики на данный момент является электрохимическая энергетика.
Электрохимическая энергетика охватывает процессы и устройства генерации и аккумулирования электрической энергии с помощью электрохимических методов. Генерация электрической энергии происходит путем преобразования химической энергии в электрическую. Электрохимическим методом можно также обратно преобразовать электрическую энергию в химическую и таким образом накапливать электрическую энергию в химической форме.
| :: :: :: |
| Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» 2005-2024 г. © Все права защищены. 127473, г. Москва, улица Краснопролетарская, д. 16, стр. 1 Тел.: (495) 181-53-44 |