Реферат на тему: «Виробництво та використання електричної енергії»
З усіх видів енергії найчастіше використовується електромагнітна, яку на практиці називають електричною.
Енергія – це кількісна міра руху і взаємодії всіх форм матерії. Будь – який вид енергії має свого носія. Наприклад, механічною енергією володіє вода, що падає на колесо гідротурбіни, заведена пружина; тепловою – нагрітий газ, пара, гаряча вода.
Носієм електричної енергії є електромагнітне поле, яке виявляється за силовою дією на позитивно заряджені частинки.
Широке використання електричної енергії зумовлює можливістю ефективного перетворення її в інші види енергії (механічну, теплову, світлову, хімічну) з метою приведення в дію машин і механізмів, одержання тепла та світла, зміни хімічного складу речовин, виробництва та обробки металів тощо.
Перетворення електричної енергії в механічну з допомогою електродвигунів дає змогу зручно, технічно досконало й економічно вигідно приводити в рух різного виду робочі машини та механізми (металорозрізальні верстати, прокатні стани, піднімально – транспортні машини, насоси, вентилятори, швейні та взуттєві машини, зерноочищувальні, мукомельні машини тощо).
За допомогою електродвигунів рухаються поїзди, морські та річкові судна, міський транспорт.
Електрифікація робочих машин дає змогу не тільки механізувати, але й максимально автоматизувати силові процеси, оскільки електродвигун дозволяє в широких діапазонах регулювати потужності і швидкості привода.
У багатьох технологічних процесах використовують перетворення електричної енергії у теплову та хімічну. Наприклад, електронагрівання і електроліз дає змогу одержувати високоякісні спеціальні сталі, кольорові метали тощо. Під час електротермічної обробки металів, гумових виробів, пластмаса, скла, деревини одержують продукцію високої якості.
Електрохімічні процеси, які складають основу гальванотехніки, дають змогу одержувати антикорозійне покриття, ідеальні поверхні для відбивання променів і т.д.
Електроенергія є практично єдиним видом енергії для штучного освітлення, оскільки електричні джерела світла забезпечують його високу якість. Завдяки використанню електричної енергії одержані разючі результати в галузі зв’язку, автоматики, електроніці, керуванні та контролі за технологічними процесами.
У таких галузях як медицина, біологія, астрономія, геологія, математика втілюють спеціалізовані електричні прилади, апарати, установки, які забезпечують їх подальший розвиток.
Величезне значення для розвитку науки і техніки мають комп’ютери, які є поширеним і високоефективним засобом наукових досліджень, економічних розрахунків, у плануванні, керуванні виробничими процесами, діагностиці захворювань. Без них не було б розвитку кібернетики, обчислювальної і космічної техніки.
Єдиним недоліком електричної енергії є неможливість запасати її і зберігати ці запаси тривалий час. Запаси електроенергії в акумуляторах, гальванічних елементах і конденсаторах достатні лише для роботи малопотужних установок, причому термін зберігання цих запасів обмежені. Тому електроенергія повинна бути вироблена в такій кількості, яка потрібна споживачам.
Повсюдне використання електроенергії при концентрації природних енергетичних ресурсів в окремих географічних районах зумовило необхідність передачі її на великі відстані, розподіл між електроприймачами у великому діапазоні потужностей.
Електрична енергія легко розподіляється по приймачах довільної потужності. В автоматичній та вимірювальній техніці використовуються пристрої малої потужності (одиниці та частки вата). Водночас є електричні пристрої (двигуни, нагрівальні установи) потужністю в тисячі та десятки тисяч кіловат.
Для передачі та розподілу електричної енергії використовують повітряні лінії електропередачі, кабельні лінії, у цехах промислових підприємств – шинопроводи та електропроводки, які виконують металевими проводами з алюмінію, сталі та міді. У проводах установлюються електромагнітне поле, яке несе енергію.
За наявністю проводів поле досягає великої концентрації, тому передача здійснюється з високим коефіцієнтом корисної дії.
При дуже високій напрузі між проводами починається коронний розряд, що призводить до втрати енергії. Допустима напруга повинна бути такою, щоб при заданому поперечному перерізу провода втрати енергії внаслідок коронного розряду були незначними.
Електричні станції областей нашої країни об’єднані високовольтними лініями передач і утворюють загальну електричну мережу, до якої приєднані споживачі. Таке об’єднання називається енергосистемою, яка дає змогу згладити «пікові» навантаження у ранкові та вечірні години і безперебійно подавати енергію споживачам незалежно від місця їх розташування та оперативно перекидати енергію в ту зону, де споживання енергії в даний момент максимальне.
Безперечно, що без електричної енергії неможливе нормальне життя сучасної цивілізації. Тому надзвичайно важливим є забезпечення високої надійності постачання електроенергії, раціональне її використання, тобто максимальне скорочення втрат в процесі її виробництва, передачі та розподілу.
Для уникнення людством «енергетичного голоду» та усунення шкідливого впливу на навколишнє середовище вчені шукають нові шляхи одержання електричної енергії, збільшенням її потужності та підвищенням коефіцієнта корисної дії установок для перетворення теплової, хімічної, сонячної енергії в електричну. Рівень розвитку продуктивних сил суспільства, здатність виробляти матеріальні блага і створювати кращі матеріальні умови для життя визначається рівнем виробництва і споживання електричної енергії.
Електрична енергія має дві чудові властивості: вона може передаватись на великі відстані з порівняно малими втратами і може легко перетворюватись в інші види енергії.
Зростання масштабів споживання електричної енергії, загострюється проблема охорони навколишнього середовища значно активізували пошуки більш екологічно чистіших способів одержання електричної енергії. У всьому світі проводяться дослідження способів освоєння термоядерної енергії, прямо без машинного перетворення внутрішньої і хімічної енергії в електричну: магнітогідродинамічні, термоелектричні й термоелектронні генератори, паливні елементи тощо.
Трансформатор для невеликої потужностей (десятки ват), які застосовують переважно в лабораторіях і для побутових цілей, мають дуже невеликі розміри. А потужні трансформатори, що перетворюють сотні й тисячі кіловат, є величезними спорудами. Звичайно потужні трансформатори вміщують в сталевий бак, заповнений спеціальним мінеральним маслом. Це поліпшує умови охолодження трансформатора, і, крім того, масло відіграє важливу роль як ізолюючий матеріал. Кінці обмоток трансформатора виводять через прохідні ізолятори, укріплені на верхній кришці бака.
Трансформатор винайшов у 1876 році П. Яблочков, який застосував його для живлення своїх «свічок», що потребували різної напруги. Трохи пізніше самостійно дійшов думки про створення трансформатора І. Усагін, який демонстрував свій прилад і його застосування в 1882 р.
У 70 – х роках ХХ століття були в основному розроблені конструкції генераторів електричного струму. Це дало змогу перетворити теплову енергію парових машин або падаючої води на електричну.
Проте необхідність в добуванні великих кількостей електричної енергії відразу ж поставила перед технікою інше дуже важливе і принципово цілком нове завдання, а саме транспортування енергії, передавання її з одного місця в інше. До винайдення електричних генераторів це завдання здавалось зовсім нерозв’язним. Справді, якщо ми маємо водяний чи вітровий двигун або парову машину, то ми можемо передати їх механічну енергію тільки верстатові, що розміщений в безпосередній близькості до двигуна. Ця передача з допомогою валів, зубчастих коліс, пасових трансмісій тощо порівняно легко здійснюється на відстань до кількох десятків або, в крайньому разі, сотень метрів, але не можна уявити собі, щоб з допомогою таких пристроїв можна було передавати енергію на відстані кількох кілометрів або десятків кілометрів.
Енергію електричного струму можна передавати по проводах на відстані кількох тисяч кілометрів. Тому, як тільки були створені перші задовільні моделі електричних генераторів, постала проблема централізованого виробництва енергії та її передачі по проводах на значну відстань. Така постановка завдання – виробництва енергії в одному місці і споживання її в іншому – є однією з принципових важливих особливостей енергетики, яка ґрунтується на використанні електричної енергії.
Переважна частина електричної енергії, що добувається в Україні та яка є енергетичною базою всієї промисловості, виробляється на великих електропідстанціях. Потужність цих станцій вимірюється сотнями тисяч і мільйонами кіловат. Розміщуються вони там, де є великі запаси водної енергії (на Дніпрі, та інших повноводних річках), або там, де є великі запаси дешевого палива. Енергія цих станцій розподіляється по дротяних мережах на величезні відстані та споживається часто в місцях, віддалених від станцій на сотні й тисячі кілометрів.При цьому значна кількість потужних станцій об’єднуються в одну енергетичну систему (наприклад Укренерго), яка постачає енергію споживачам величезного району. Надзвичайно важливим кроком у розв’язанні цього фундаментального електротехнічного завдання стало з’ясування як значно зменшити втрати, підвищуючи напругу, під якою передається струм. Цього висновку вперше дійшов російський електротехнік Д. Лачинов, який опублікував своє дослідження в 1880 р. Приблизно через рік до таких самих висновків дійшов французький дослідник Депре, який здійснив першу передачу електроенергії значної потужності телеграфними проводами на відстань 57 км (у 1882р.).
Збільшити напругу в 10 раз, ми зменшимо некорисні втрати в 100 раз. У сьому полягає причина того, що в сучасній електротехніці енергію, яка добувається на електростанціях, намагаються передавати у віддалені місця під якнайвищою напругою.
Звичайно, знизити некорисні втрати можна було б, зменшивши R, тобто опір проводів. Але для цього довелося б їх робити дуже товстими, бо довжина проводів задається відстанню до місця споживання. Зрозуміло, що значне збільшення перерізу проводів пов’язане з їх подорожчанням і, отже, воно нераціональне. Навпаки, застосування високих напруг дає змогу користуватися тонкими проводами, тобто проводами з великим опором, але зате набагато дешевшими.
Проте будувати генератори напругою в сотні тисяч вольт дуже важко хоча б тому, що ізоляція машин не витримує таких напруг. Крім того, не можна такі високі напруги подавати безпосередньо споживачеві.
Єдиний можливий вихід полягає в тому, щоб на електричній станції підвищувати напругу, яку дає генератор, передавати енергію під цією високою напругою в місце споживання і тут знову знижувати напругу до потрібних меж. Здійснити таке перетворення напруг для постійного струму надзвичайно важко. Навпаки, для змінного струму таке перетворення можна провести з допомогою трансформатора легко і з дуже малими втратами енергії.
Потужні електричні станції виробляють величезні кількості електричної енергії при змінній напрузі в 6 – 20 тисяч вольт і частоті 50Гц. Ця енергія подається в підвищувальні трансформатори і потрапляє в лінії передачі під напругою в 110 – 220 тисяч вольт. По лініях передачі енергії подається до місця споживання.Тут струм приймається насамперед на головну знижувальну підстанцію, де з допомогою трансформатора напруга його підвищується звичайно до 35 тисяч вольт.Під цією напругою струм потрапляє в проводи районної розподільної мережі, яка сполучає головну знижувальну підстанцію з порівняно близькими місцями споживання. У кожному такому місці встановлюють вторинні знижувальні підстанції, тобто трансформатори, які знижують напругу до 3, 6 або до 10 тисячі вольт.Звідси по проводах місцевої розподільної мережі струм потрапляє в численні трансформаторні пункти, які є на окремих заводах або обслуговують невелику групу будинків, а іноді й один великий будинок. Тут напруга знижується до 127, 220 або 380В і під цією низькою напругою енергія подається в окремі квартири, до верстатів тощо, по так званій внутрішній мережі.
Звичайно електрична енергія передається майже виключно у вигляді змінного струму високої напруги. Але розрахунок показує, що передавати її у вигляді постійного струму високої напруги набагато вигідніше, бо це потребувало б проводів з перерізом, а отже, й вагою в 1,5 рази меншими, а при далеких відстанях передачі (на тисячі кілометрів) це дуже істотний момент. Використання постійного струму замість змінного гальмується тим, що досі не знайдено способу добування потужних постійних струмів високої. напруги і не існує способів трансформації напруги постійного струму Це одне з дуже важливих завдань, які стоять перед електротехнікою.
У наш час електричні вимірювання й електричні прилади посідають одне з чільних місць у житті цивілізованого людства. За частотою застосувань електричні вимірювання поступаються хіба що лише вимірюванням довжини, маси та температури. Електричні вимірювання застосовуються не лише для вимірювань власне електричних величин (напруги, струму, потужності, енергії, опору, частоти, зсуву фаз, ємності та ряду магнітних величин), а й при використанні перетворювачів для вимірювання багатьох неелектричних величин (тиску, температури, швидкості, параметрів вібрації, рівня рідин та сипучих матеріалів, витрати рідин та газоподібних речовин, величин потужних деформацій, відстаней тощо).
Найбільшого розмаїття електровимірювальних приладів досягнуло в енергетиці. Без застосування електровимірювальних приладів була б неможливою робота сучасних електричних станцій, де нормальна дія кожного енергоблоку може підтримуватись персоналом лише на основі аналізу інформації, що находять від багатьох десятків (а іноді й сотень)приладів, які контролюють безліч параметрів енергоблоку. При цьому чи не найбільша частина цих електричних приладів контролює неелектричні величини.
В енергетиці електровимірювальні прилади використовують не тільки для поточного контролю роботи енергообладнання, а й для пошуку його пошкоджень. Причому саме за допомогою електричних вимірювань візуально недосяжні пошкодження обладнання знаходять найвище й найточніше. Потенціальні можливості промисловості, що виробляє електровимірювальні прилади, в Україні надзвичайно великі й значною мірою перевищують потреби країни у цих приладах.
Важко уявити нашу працю і побут без електрики. Її широко використовують у промисловості, на транспорті, у зв’язку, в медицині й мистецтві. Електрика дозволила створити нові технології виробництва і матеріали, яких немає в природі.
Бібліографічний список
1. М.В. Принц, В.М. Цимбалістий Трансформатори монтаж, обслуговування та ремонт 181 с. 2007р.
2. О.Г. Шаповаленко, В.М. Бондар Основи електричних вимірювань 317 с. 2002р.
3.О.С. Коваль Поради сільському електрику 157 с. 1990р.