Виробництво та передача електричної енергії

Міністерство освіти і науки молоді та спорту

Комунальний заклад «Нікопольська середня загальноосвітня I – III ступенів школа №22»

урок у 11класі вчителя Черкащенка М.Л.

м. Нікополь 2011р.

Урок №19

ТЕМА: ВИРОБНИЦТВО ТА ПЕРЕДАЧА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ.

НАВЧАЛЬНА МЕТА УРОКУ: засвоїти поняття:

• фізичні основи виробництва електроенергії;

• поняття про необхідність передачі електроенергії на великі відстані;

• ознайомлення учнів з розв'язуванням науково-технічних та економічних проблем при здійсненні передачі електричного струму;

• схеми передачі електроенергії, що застосовуються в сучасній техніці;

РОЗВИВАЮЧА МЕТА УРОКУ:

• формування наукового світогляду на основі знань про виробництво та передачу електроенергії;

• комплексне вирішення проблем на основі знань математики, фізики та інформатики;

• розвиток аналітико-синтетичного та образного мислення учнів, спонукання учнів до осмислення та знаходження причинно-наслідкових зв’язків.

ВИХОВНА МЕТА УРОКУ:

• розвиток естетичного сприйняття матеріалу, використання презентації, створеної у програмі Power Point;

• виховання культури сприйняття теоретичного матеріалу за допомогою комп’ютера та приладів для показу отримання й передачі електроенергії;

• виховання патріотизму, любові до батьківщини на прикладі діяльності вчених-електротехніків Яблочкова та Доливо-Добровольського.

• формування соціальної адаптованості учнів шляхом підбору матеріалу,проведення дослідів;

• виховання політехнічного мислення учнів.

ОБЛАДНАННЯ: ноутбук, мультимедійний проектор. Письмове та креслярське приладдя, модель генератора змінного струму, електрична лампочка на підставці, з’єднувальні провідники, 2 ізолюючих штатива на підставці, трансформатор знижуючий на панелі, трансформатор підвищуючий на панелі.

ТИП УРОКУ : інтегрований

Х І Д У Р О К У :

Електрифікація — процес впровадження у господарстві та побуті електричної енергії. Єдиний у часі процес виробництва, розподілу й споживання електроенергії.

Тлумачний словник.

І. Організаційний момент.

ІІ. Актуалізація опорних знань.( проводиться у формі роботи у групах)

1.Які переваги електроенергії ви знаєте?

2. Що потрібно для отримання електроенергії?

3. Які ви знаєте генератори електричного струму?

4. Назвіть основні частини генератора.

5. Де виробляють електроенергію?

Учні демонструють роботу найпростішої моделі генератора

СЛОВО ВЧИТЕЛЯ: у залежності від виду перетвореної енергії електростанції діляться на теплові, гідравлічні, атомні та ін. Спільне в усіх електростанцій – генератори промислові.

Спочатку ми розглянемо виробництво електроенергії на теплових електростанціях (відеоролик).

Тепер послухаємо виступ групи дослідників про виробництво електроенергії на теплових електростанціях.( доповідь супроводжують слайди).

Електроенергетика виробляє ектроенергію та передає її по линіям електропередач (ЛЕП). Група електростанцій різних типів об‘єднані ЛЕП високої напруги в енергосистему. Більша частина електростанцій об‘єднані в Енергосистему України з метою передачі електроенергії споживачам.

Виробляється електроенергія на різних типах електростанцій. Провідними з них є

теплові— ТЕС, які використовують енергію спалюваного мінерального палива.

Теплоелектроцентралі (ТЕЦ) використовують для виробництва тепла з одночасним виробництвом електроенергії. Радіус їх дії —близько 20 км, тому вони будуються біля споживачів ( у великих містах).

Виробництво електроенергії на станціях різного типу

Більшість ТЕС нашої країни використовують як паливо вугільний пил. Для 1 квт.год електроенергії витрачається декілька сот грамів вугілля. В паровому котлі більше 90% енергії що виділяється, передається парі. В турбіні кінетична енергія струменів пари передається ротору. Вал турбіни жорстко з‘єднаний з валом генератора. Парові турбогенератори дуже швидкісні - декілька тисяч обертів за хвилину. З курсу 10 класу нам відомо, що ККД теплових двигунів збільшується з ростом початкової температуры.

Перетворення енергії при виробництві, передачі та використанні електричної енергії

ТЕС працюють на вугіллі, газі, мазуті, торфі, тому їх можна будувати в різних районах країни. ТЕС будують швидко та обходиться будівництво дешевше, ніж будівництво АЕС та ГЕС.

Українські ТЕС:

Бурштинська ТЕС →12x200 = 2400 Мвт

Вуглегірська ТЕС 4x300+3x800 = 3600 Mвт

Добротвірська ТЕС 3x100+2x150 = 600 Мвт

Запорізька ТЕС 4x300+3x800 = 3600 Mвт

Зуївська ТЕС 4x300 = 1200 Mвт

Зміївська ТЕС 6x200+4x300 = 2400 Mвт

Кураховська ТЕС 7x200 = 1400 Mвт

Криворізька ТЕС 10x300 = 3000 Mвт

Ладижинська ТЕС 6x300 = 1800 Mвт

Луганська ТЕС 1x100+7x200 = 1500 Mвт

Придніпровська ТЕС 4x150+4x300 = 1800 Mвт

Слов'янська ТЕС 1x800 = 800 Мвт

Старобешівська ТЕС 10x200 = 2000 Mвт

Трипільська ТЕС 6x300 = 1800 Mвт

Переваги ТЕС:

1. Відносно вільне територіальне розміщення, пов'язане з широким розповсюдженням паливних ресурсів;

2. Здатність (в відміну від ГЕС) виробляти енергію без сезонних коливань потужності;

3. Площі відчуження та виводу з господарського обігу землі під будівництво та експлуатацію ТЕС, як правило, значно менші, ніж це необхідно для АЕС ;

4. ТЕС, в зв'язку з масовим опануванням технологій їх будівництва, будуються набагато швидше, ніж ГЕС або АЕС, а їх будівництво на одиницю встановленої потужності значно нижче порівняно з АЕС та ГЕС.

Недоліки ТЕС:

1. Працюють на непоновлюваних ресурсах.

2. Дають багато відходів (найчистіші ТЕС на газі).

З. Режим роботи змінюється повільно (для розігріву котла необхідно 2-З доби).

4. Енергія має високу вартість, т. я. для експлуатації станції, добутку та транспортування палива потрібно багато людей (витрати на зарплатню).

Нетрадиційні види електростанцій

На Кольському півострові працює Кислогубська припливна електростанція — ПЕС, яка використовує невичерпну енергію припливів,

а на Камчатці дві (Паужетська та Мутновська ) геотермальні ГеоТЕС —використовують підземне тепло.

ВИСНОВКИ:

1.На теплових електростанціях виробляється близько 67% електроенергії, що виробляється на нашій планеті. Це обумовлено наявністю органічного палива майже в усіх районах нашої планети;

2. Можливістю транспортування органічного палива з місця добутку на електростанцію, розміщену поблизу споживачів енергії;

3. Можливістю використання відпрацьованого тепла робочого тіла та відпуску споживачам, крім електричної, також і теплової енергії (з парою або гарячою водою).

Запорізька АЕС (ЗАЕС)

З 1981 року на лівому березі Каховського водосховища почалося будівництво ЗАЕС.

Запорізька АЕС (ЗАЕС) — атомна електростанція, розташована в степовій зоні на березі Каховського водосховища в Запорізькій області України поруч із містом Енергодар. Це найбільша в Україні (і в Європі) атомна електростанція, вона складається з 6 атомних енергоблоків.Рішення про будівництво ЗАЕС було ухвалене в 1978 році. В 1981-му почалося поетапне спорудження блоків станції. Протягом 1984—1987 р. уведені в експлуатацію чотири енергоблоки. В 1989 р. став функціонувати п'ятий енергоблок, а шостий — лише в 1995 році, після

скасування мораторію на будівництво ядерних об'єктів в Україні. Запуск шостого блоку Міжнародний інститут фінансів і економічного партнерства (США) відзначив Запорізьку АЕС «Смолоскипом Бірмінгема». Ця нагорода вручається підприємствам за успішне економічне виживання й розвиток в умовах зародження ринкових відносин. Щорічно станція генерує близько 40 млрд кВт•годин електроенергії, що становить п'яту частину загальнорічного виробництва електроенергії в державі й половину її виробництва на українських атомних станціях. За підсумками роботи в 2000 р. Запорізька АЕС визнана однією із трьох кращих атомних станцій світу, що повністю відповідають вимогам МАГАТЕ. На Запорізькій АЕС — першій серед атомних станцій України з реакторами типу ВВЕР — побудоване сухе сховище відпрацьованого ядерного палива (ССВЯП). Технологія запорізького ССВЯП базується на зберіганні відпрацьованих паливних збірників у вентильованих бетонних контейнерах, розташованих на площадці в межах атомної станції. Проектний обсяг ССВЯП на Запорізької АЕС — 380 контейнерів, що забезпечить на найближчі 50 років зберігання відпрацьованих паливних збірників, які будуть вилучатися з реакторів протягом усього строку експлуатації станції.

АЕС України

Запорізька АЕС 6x1000 = 6000 Mвт

Південноукраїнська АЕС 3x1000 = 3000 Mвт

Рівненська АЕС 2x440+2x1000 = 2880 Mвт

Хмельницька АЕС 2x1000 = 2000 Mвт

СХЕМА РОБОТИ АЕС

СЛОВО ВЧИТЕЛЯ: крім теплових та атомних електростанцій електроенергія виробляється ще на гідроелектростанціях. Зараз ми подивимося відеоролик,що демонструє отримання електроенергії на ГЕС.

Тепер ми послухаємо доповіді учнів-дослідників про виробництво електроенергії не ГЕС.

Гідроелектростанція (ГЕС)

1. Близько 19% електроенергії в усьому світі виробляють ГЕС. Вони претворюють кінетичну енергію падаючої води в механічну енергію обертання турбіни, а турбіна приводить в обертання генератор струму.

2. Для ефективного виробництва електроенергії на ГЕС необхідні два основних фактора: гарантована забезпеченість водою цілий рік та якомога більші схили річки.

Принцип роботи ГЕС

Гребля створює напір води в водосховищі, який забезпечує постійне підведення енергії. Вода протікає через водозабір, рівнем якого визначається швидкість течії. Потік води, обертаючи турбіну, приводить в обертання електрогенератор. По високовольтним ЛЕП електроенергія передається на розподільчі підстанції.

СХЕМА ГЕС

Типи ГЕС

Гідроелектричні станції (ГЕС)

• Гребельні гідроелектростанції

• Руслові гідроелектростанції

• Пригребельні гідроелектростанції

• Дериваційні гідроелектростанції

• Гідроакумулюючі електростанції

• Припливні електростанції

• Хвильові електростанції на морських течіях

Найбільші гідроелектростанції України

• Дніпровський каскад

• Київська ГЕС

• Канівська ГЕС

• Кременчуцька ГЕС

• Дніпровська ГЕС

• Дніпродзержинська ГЕС

• Каховська ГЕС

• Запорiзька ГЕС***

• Дністровський каскад

• Дністровська ГЕС

• Дністровська ГЕС-2

• Дубоссарська ГЕС

Карта Дніпровського каскаду

Гідроакумулюючі електростанції

Використовуються для вирівнювання добової неоднорідності графіка електричного навантаження.

В години малих навантажень ГАЕС, споживаючи електроенергію, перекачує воду із низового водоймища в верхове, а в години півищених навантажень в енергосистемі використовує запасену воду для вироботки пікової енергії.

Українські ГАЕС

Дніпровський каскад

Київська ГАЕС

Канівська ГАЕС (проект)

Дністровський каскад

Дністровська ГАЕС

Південний Буг

Ташлицька ГАЕС 2x160/225 = 320/450 Mвт (Генераторний/Двигунний-режим)

Руслова гідроелектростанція (РусГЕС)

Руслова гідроелектростанція (РусГЕС) належить до безгреблевих гідроелектростанцій, які розташовують на рівнинних повноводних річках, у вузьких стиснутих долинах, на гірських річках, а також у швидких течіях морів та океанів.

Дериваційні гідроелектростанції

Такі електростанції будують в тих місцях, де великий схил річки.
Вода відводиться з річного русла через спеціальні водовідводи.

Вода підводиться безпосередньо до будівлі ГЕС.

Хвильові електростанції

Для видобутку електроенергії використовуються дві основні характеристики хвиль: кінетична енергія та енергія поверхневого кочення.

Після 1991року не побудовано жодної теплової та гідравлічної електростанції.

3.Передача електроенергії

СЛОВО ВЧИТЕЛЯ: електроенергію отримали. Як тепер її передати? Над цією проблемою працювали багато вчених-фізиків. Це історично важливий факт. Як це відбувалося, нам розкажуть про переваги змінного струму дослідники-історики.

Переваги змінного струму були оцінені не зразу. Впровадження змінного струму в практику почалося з робіт російського електротехніка П.М. Яблочкова, який 1876 р. застосував його для живлення «електричних свічок», винайдених ним електричних джерел світла.

Змінний струм підходив для цього краще, ніж постійний, так як міг забезпечити рівномірне вигоряння обох вугільних електродів цих «свічок». Яблочков також був першим, хто застосував у колі змінного струму конденсатор.

Боротьба між прихильниками використання постійного та змінного струму продовжувалась до 1891року, коли на Всесвітній електротехнічній виставці в Франкфурті-на-Майні М.Й. Доливо-Добровольський продемонстрував успішну передачу електроенергії на відстань 175 км за допомогою змінного струму.

Це наукове відкриття отримало високу оцінку комісії, на чолі з Г. Гельмгольцем, і переваги змінного струму для передачі електричної енергії стали очевидними.

СЛОВО ВЧИТЕЛЯ: Ми дізналися про переваги змінного струму, але виникла проблема при передачі енергії від джерела ( електростанції) до споживача. Дроти лінії нагріваються, й через це частина енергії втрачається. Що потрібно для того, щоб мінімально втратити енергію? Цю роботу виконає група проектувальників-інженерів. Вони нам порахують втрати тепла.

1.Теплові втрати можна визначити за законом Джоуля-Ленца:

1. де I_д -діюче значення сили струму в лінії.

2.Опір провідника можна попохувати по формулеі

де R- опір лінії, ℓ - довжина провідників, Ѕ - площа їх поперечного перерізу

3. Зменшити теплові втрати можна,зменшивши опір провідника, для чого: змінити матеріал провідника, зменшити довжину,збільшити площу поперечного перерізу провідника.

4. Змінювати матеріал провідника дорого, довжина провідника фіксована, потрібно збільшити площу поперечного перерізу, щоб зменшити опір провідника.

6. Висновок:

Для зменшення теплових втрат електроенергію треба передавати при підвищеній напрузі та якомога меншому опорі лінії передачі. Зменшення опору потребує збільшення перерізу дротів та відповідно збільшення їхньої ваги. Тому найбільш ефективним засобом зменшення втрат є підвищення напруги.

Це потребує додаткових витрат на покращення ізоляції, але пов’язані з цим витрати суттєво менші за ті, до яких може привести збільшення ваги дротів.

Напруга у лінії передачі обмежується можливістю надійної ізоляції та стіканням заряда з дротів в атмосферу ( коронний розряд). Зазвичай ця напруга складає сотні кіловольт.

Так , як такі високі напруги не можуть вироблятися генераторами струму ( у яких він не перевищує 20 кіловольт) й не можуть пропонуватися споживачу, то необхідним елементом лінії передачі є трансформатори – апарати, що призначені для підвищення й пониження змінного струму при незмінній частоті струму.

СЛОВО ВЧИТЕЛЯ: Ми вже знаємо, що напруга трансформується за допомогою трансформатора, а потім передається на великі відстані. Ця ж група дослідників розповість нам про будову трансформатора та про передачу електроенергії на великі відстані на моделі.

Будова та схема трансформатора

Дві котушки з різним числом витків, осердя з листів трансформаторної сталі, ізольованих одне від одного , клеми.

Модель передачі електроенергії

СЛОВО ВЧИТЕЛІ: Для того, щоб побудувати ЛЕП потрібна висока напруга. А яка? Які будуть втрати при передачі? Це потрібно вміти розраховувати. Наступна група інженерів-дослідників розкаже нам про результати розвязку задачі-проекта-дослідження.

Задача – проект - дослідження

Від електростанциії до споживача передається електрична енергія потужністю 50 кВт.

Порівняйте втрати напруги та потужності в лінії передачі, якщо її здійснювати під напругою 500 и 2000 В.

Який ККД лінії передачі при цих напругах? Яким шляхом можна знизити втрати електроенергії при передачі та як це здійснити? Опір лінії 4 Ом.

Знайди помилку в задачі

Висновок: менші втрати та високий ККД передачі

при високій напрузі.

СЛОВО ВЧИТЕЛЯ: електроенергію передають на великі відстані, використовуючи змінний та постійний струм. Кожен з них має свої переваги та недоліки. Про них нам розкаже наступна група дослідників.

Передача електроенергії на великі відстані ЛЕП змінного струму

Недоліки ЛЕП:

наявність індуктивного опору лінії, який пов’язаний з явищем електромагнітної індукції.

Індуктивний опір:

• Погіршує передачу електроенергії в лінії, що призводить до зменшення напруги на шляху від джерела до споживача;

• Викликає зсув фаз між коливаннями струму та напруги.

Методи зменшення індуктивного опору:

• включення в лінию батареї конденсаторів;

• розтин одного провода, що призводить до зменшення індуктивного опору, зменшенню втрат на коронний розряд при високих напругах (500-750кВ).

Електроенергія може передаватися і по лініям електропередач постійного струму

ЛЕП постійного тока має пепреваги в порівнянні з лініями змінного струму:

• відсутній індуктивний опір;

• Зменшується металоємність проводів(використовується два проводи замість троьх в лініях трьохфазного струму);

• менше втрат на коронний розряд, звідси і менше радіоперешкод;

• підвищується стійкість енергосистем, які під час проходження змінного струму потребують строгої синхронності, постійності частоти всіх генераторів, що входять до загальної системи.

• головний шлях зменшення втрат потужності в проводах ЛЕП - це підвищення напруги в лінії передачі.

• чим довше лінія електропередачі, тим вигідніше використовувати більш високу напругу.

• при передачі енергії від потужних електростанцій електричний струм по шинах потрапляє на трансформаторні підвищуючі підстанції, які складаються з силових трансформаторів.

• після підвищення напруги на підстанції до 35, 110, 220, 500, 750 кВ енергія направляється в район споживача на понижуючі підстанції, де напруга понижуєтсья до 6-10 кВ.

• високовольтні лінії електропередачі (ЛЕП) – повітряні лінії. Їх роблять з алюмінієвих, сталеалюмінієвих або мідних проводів, закріплених на гірляндах ізоляторів, які підвішуються на металевих та залізобетонних опорах.

• відстань між проводами робиться з таким розрахунком, щоб була виключена можливість пробою повітряного проміжку між проводами при розгойдуванні їх вітром. По вершинах опор прокладаються сталеві оцинковані троси. Вони потрібні для збереження лінії від атмосферної електрики. Трос, розташований над проводами, бере на себе атмосферні електричні розряди та відводить їх у землю.

• з понижуючих підстанцій по лінії з напругою 6-10 кВ енергія частково направляється до високовольтних споживачів,частково - на понижуючі підстанції, де напруга знижується до 220 В - 380 В, далі по мережі з напругою 220 В и 380 В електрика підводиться до споживачів.

Енергосистеми

• Електричні станції ряду районів країни об‘єднані високовольтними лініями передач, утворюють спільну енергетичну систему, до якої приєднані споживачі. Таке об‘єднання, називається енергосистемою, вона дає можливість вирівняти «пікові» навантаження споживачів енергії у ранкові та вечірні години. Енергосистема забезпечує безперебійність подачі енергії споживачам незалежно від місця їх розташування. Зараз майже вся територія України забезпечується електроенергією об‘єднаними енергетичними системами.

СЛОВО ВЧИТЕЛЯ: Я сподіваюсь, що сьогоднішній урок не пройшов для нас даремно. Ви дізналися багато нового, того, що не прочитаєте у підручнику. Наші дослідники підійшли серйозно до виконання поставленого завдання. За це їм велика подяка й оцінки в журнал.

Використання електроенергії ми розглянемо на наступному уроці.

Домашнє завдання:

1. Підручник Є.В. Коршак, І.О.Ляшенко, В.Ф. Савченко Фізика-11, §41, питання після §41 .

2. А.П. Римкевич «Збірник задач» №1014,1015.