Передача электроэнергии популярные способы и альтернативные варианты

Потери электроэнергии

Реальность такова, что передача электроэнергии на большие расстояния неизбежно сопровождается её потерями. Существенная часть электричества, проходя путь от генератора на электростанции до розетки бытового потребителя, превращается в тепло и расходуется на обогрев атмосферы. Однако это не снижает затрат за производство электроэнергии, поэтому конечному пользователю всё же приходится оплачивать и эти нецелевые расходы.

Уменьшить ненужные потери, соответственно, траты, позволяют следующие способы:

1. применение высокотемпературных сверхпроводников;
2. увеличение сечения кабелей и проводов ЛЭП;
3. повышение напряжения в линиях передачи.

За первым способом будущее. Однако сегодня он технически неосуществим. От второго отказались на первых парах развития электроэнергетики, ведь он экономически нецелесообразен из-за лишних расходов на утолщение проводников. Применение высокого напряжения оказалось наиболее удачным методом, поэтому он используется по всему миру уже порядка ста лет.

Причины потерь при передаче электрической энергии на расстояние кроются в строении вещества. Электрический ток – это направленное движение по проводнику свободных носителей зарядов. В случае с ЛЭП и кабелями их роль играют электроны. Эти частицы, проходя по сечению провода, неизбежно сталкиваются с окружающими их атомами меди или алюминия и сообщают им часть своей кинетической энергии. Микрочастицы металла за счёт этого удара становятся подвижнее, что и воспринимается органами чувств человека как повышение температуры.

Q = I2Rt.

Освоение тепловой энергии океана

Данный способ получения электроэнергии является самым распространенным. Так например, в Российской Федерации на долю тепловых источников приходится почти 80 % всей выработки необходимого ресурса. Идут годы, экологи уже практически кричат о негативном воздействии подобных инженерных сооружений на окружающую среду и на здоровье человека, однако станции, возведенные еще в середине прошлого века (а то и дореволюционные) продолжают снабжать населенные города и крупные промышленные предприятия электричеством.

Тепловые источники относятся к традиционным способам получения электроэнергии. И вот уже на протяжении трех или четырех десятков лет занимают лидирующую позицию в рейтинге по объемам выработки. И это несмотря на бурное развитие альтернативных способов получения электроэнергии.

Среди всех инженерных проектов выделяют особый вид сооружений. Это теплоэлектроцентрали, дополнительная функция которых снабжать дома и квартиры граждан теплом. По подсчетам специалистов, эффективность таких электростанций крайне низкая, а передача вырабатываемого ресурса на дальние расстояния сопряжена с большими потерями.

Выработка энергии осуществляется следующим образом. Твердое, жидкое или газообразное топливо сжигается, разогревая воду в котле до значительных температур. Сила пара приводит во вращение лопасти турбины, в результате чего ротор турбогенератора вращается и происходит выработка электроэнергии.

Строительство сложных инженерных сооружений, предназначенных для преобразования энергии воды в электричество, было начато еще в Российской Империи. С тех пор прошло много лет, а данный источник по-прежнему активно используется. В годы индустриализации СССР (1930-е) по всей стране выросли гидроэлектростанции-гиганты.

В настоящее время государство делает ставку на развитие «зеленых» способов получения электроэнергии. Поэтому активно финансируется возведение современных и очень продуктивных гидроэлектростанций по всей стране. Стратегия строительства некрупных объектов на небольших притоках рек полностью оправдала себя.

К недостаткам данной технологии можно отнести большую стоимость таких объектов и очень длительные сроки их окупаемости. Основные затраты приходятся на строительство плотины. А ведь необходимо возвести само здание (административный и машинный корпуса), построить приспособление для сброса воды и так далее.

Параметры и состав сооружения зависят от многих факторов: установленной мощности генераторов и напора воды, типа электростанции (плотинная, русловая, деривационная, аккумулирующая, приливная). Гидроэлектростанции на крупных судоходных реках имеют также сложные судоходные шлюзы и каналы для обеспечения миграции рыб к месту нерестилищ.

Мировой океан поражает воображение своими масштабами. Специалисты не могут дать даже приблизительную оценку величине аккумулируемой в нем тепловой энергии. Понятно лишь одно – колоссальный объем ресурсов остается незадействованным. В настоящее время уже построены прототипы электростанций, которые преобразовывают энергию тепла вод океана в ток. Однако это опытные проекты, и нет никакой уверенности, что это направление энергетики получит дальнейшее развитие.

Главная электростанция (1) вырабатывает напряжение порядка 10-12 кВ. Затем оно повышается с помощью трансформатора (2) до более высокого уровня: 35, 110, 220, 400, 500 или 1150 кВ. После по кабельной или воздушной линии (3) энергия передаётся на расстояния от единиц до тысяч километров и попадает на понижающую подстанцию.

Классификация линий электропередач

Существует множество разновидностей ЛЭП. Каждый из видов заточен под свои определённые нужды и задачи. В соответствии с этим, ПУЭ регламентирует следующую классификацию воздушных линий электропередач.

По классу напряжению ЛЭП бывают:

• низковольтные, до 1 кВ;
• высоковольтные, свыше 1 кВ.

По назначению:

• Межсистемные линии с напряжением от 500 кВ и выше;
• Магистральные, 220-500 кВ;
• Распределительные, 110-220 кВ;
• Линии 35 кВ для питания сельхоз потребителей;
• ЛЭП 1-20 кВ, используемые в пределах одного населённого пункта.

Род электрического тока в ЛЭП подразделяются на:

• переменный (практически все линии);
• постоянный ток (встречается редко, в основном 3,3 кВ контактной сети железной дороги).

https://www.youtube.com/watch?v=7SPtvGvbgGA

Напряжение в конце линии неизбежно ниже, чем в её начале. Вольтаж теряется на сопротивлении проводов ЛЭП. Именно эта разница напряжений уходит впустую на обогрев вселенной.

Такая проблема приводит к тому, что невозможно создать линию электропередач бесконечной длины и передать по ней неограниченную мощность. Поэтому введено понятие – пропускная способность ЛЭП. Данная характеристика в первую очередь зависит от длины линии, металла, из которого сделаны её провода и их сечения. Потери в меди менее ощутимы, чем у алюминия. Пропускная способность линии тем выше, чем толще её провода.

Атомная энергетика

Атомной электростанцией сегодня уже никого не удивить. Такие объекты активно стали возводиться еще в СССР. Поэтому эта технология относится к традиционным способам получения электроэнергии.

Атомные станции и в настоящее время активно возводятся не только в России, но и в странах ближнего и дальнего зарубежья. Так, например, компания с русскими корнями «Росатом» финансирует строительство такого источника в Республике Беларусь. К слову, на данной территории эта станция будет первой.

В мире отношение к атомной энергетике весьма неоднозначно. Германия, например, всерьез вздумала полностью отказаться от мирного атома. И это в то время, когда Российская федерация активно инвестирует строительство новых объектов последнего поколения.

Ученые достоверно установили, что залежей ядерного топлива в недрах земли гораздо больше всех запасов углеводородного сырья (нефти и газа). Постоянно нарастающая потребность в углеводородах ведет их удорожание. Именно по этому развитие ядерной энергетики оправдывает себя.

Освоение геотермальных источников ознаменовало новую веху в истории развития альтернативных способов получения электроэнергии.

Принцип выработки электроэнергии заключается в поступлении кинетической и потенциальной энергии пара горячей воды подземного источника в лопасти турбины генератора, которая посредством вращательных движений производит ток. В теории разница температур на поверхности и в глубине земной коры характерна для любого участка.

Однако она, как правило, минимальна, и использовать ее в целях получения электроэнергии не представляется возможным. Возведение таких станций оправдано лишь в определенных районах нашей планеты (сейсмически активных). Первопроходцем в освоении этого способа является Исландия. Земли русской Камчатки также могут использоваться в этих целях.

Принцип получения энергии заключается в следующем. Горячая вода из недр земли поступает на поверхность. Давление здесь значительно ниже, что приводит к закипанию воды. Отделяющийся пар направляется по трубопроводу и вращает лопасти турбин генератора. Трудно дать прогноз на будущее по этому современному способу получения электроэнергии.

Преобразование мощной силы отливов и приливов в ценные производные является новым способом получении электроэнергии. Природа этих явлений в настоящее время известна и не вызывает того благоговейного трепета, который возникал у наших предков. Виной всему – воздействие магнитного поля верного спутника планеты – Луны.

Наиболее заметными приливные и отливные течения вод наблюдаются на мелководьях морей и океанов, а также в руслах рек.

Первая станция, действительно давшая результат, была возведена в далеком 1913 году в Великобритании неподалеку от Ливерпуля. С тех пор многие страны пытались повторить опыт, но в итоге отказывались от этой затеи по разным причинам.

Трансформаторные подстанции

Для преобразования напряжения одной величины в другую служат трансформаторные подстанции. Они представляют собой огороженный забором объект, имеющий на своей территории трансформатор. Внутри него располагаются первичная и вторичная обмотки (катушки). Их электромагнитное взаимодействие позволяет с большим КПД преобразовывать энергию. На подстанцию заходят воздушные линии или кабеля с одним напряжением, а выходят с другим, как правило, более низким.

Там же располагаются всевозможные системы контроля и учёта электроэнергии и распределительное устройство (РУ). Оно предназначено для связи с другими объектами энергосистемы и является неотъемлемой частью трансформаторной подстанции. РУ позволяет отключить отдельного потребителя по стороне низкого напряжения, не обесточивая при этом всех остальных.

Энергия ветра

Ветровая электроэнергетика в промышленных масштабах возникла относительно недавно и пополнила перечень нетрадиционных способов получения электроэнергии. И это очень перспективная технология. С большой долей вероятности можно утверждать, что в отдаленном будущем ветряки будут вырабатывать столько электроэнергии, сколько необходимо человечеству.

Основной проблемой является непостоянство потоков воздуха, что влечет за собой сложности в прогнозировании выработки энергии. На огромной по площади территории России постоянно дуют ветры. И если научиться эффективно и результативно пользоваться этим неисчерпаемым ресурсом, то можно с лихвой удовлетворить все потребности тяжелой промышленности и населения страны.

Несмотря на очевидные плюсы от использования энергии ветра, объем выработки электричества ветровыми электростанциями не превышает и одного процента в общем объеме. Оборудование для этих целей стоит очень дорого, кроме того, такие объекты будут эффективны далеко не в каждом районе, а транспортировка электроэнергии на значительные расстояния сопряжена с большими потерями.

Передача электричества на дальние расстояния

Если передача электрической энергии осуществляется на дистанции в сотни километров, то используют воздушные линии. Их строительство обходится существенно дешевле, в сравнении с кабельными, укладываемыми под землю. ЛЭП способны объединять в общую сеть соседние страны. Помимо этого, они проще в эксплуатации, ведь провода находятся под открытым небом. Этот фактор упрощает осмотр технического состояния линии и позволяет заблаговременно спрогнозировать её неисправности.

Альтернатива

Большинство из используемых сегодня в мире линий электропередач работает на переменном токе. Однако имеются исключения. В некоторых случаях применение постоянного тока оказывается более эффективным:

• отпадает необходимость в синхронизации генераторов, работающих в разных энергосистемах;
• сводятся к нулю потери на ёмкостное и индуктивное сопротивления кабеля;
• снижается стоимость линии, т.к. для передачи постоянного тока достаточно всего 2 проводников;
• возможность использования на уже построенных ЛЭП переменного тока, т.е. не нужно возводить новые магистрали;
• снижение электромагнитного излучения, возникающего при смене направления тока.

Умение передавать электрический ток на огромные расстояния послужило решающим фактором для развития всего человечества. Однако индустрия не стоит на месте, поэтому сейчас учёные работают над тем, чтобы сделать транспортировку энергии ещё эффективнее и дешевле.

В 1901 году знаменитый, гениальный учёный Николай Тесла сконструировал огромную башню Ворденклиф в Нью-Йорке. Компания JP Morgan взяла на себя финансовую часть проекта. Тесла хотел осуществить бесплатную радиосвязь и снабдить человечество бесплатным электричеством. Морган же просто ожидал беспроводную международную связь.

Идея бесплатного электричества привела в ужас промышленные и финансовые “Тузы”. Желающих революций в мировой экономике не оказалось, все держались за сверхприбыли. Поэтому проект свернули.

Так что же построил Тесла? Как он собирался сделать бесплатное электричество? В XXI веке всё большую поддержку получает идея альтернативной энергетики, работающей на других источниках. Своеобразным оппонентом нефти, углю, газу здесь выступают возобновляемые ресурсы Земли и других планет.

Из чего можно получить бесплатное электричество? Солнечный свет, энергия ветра, земли, использование приливов и отливов, мускульная энергия человеческого тела могут изменить будущее планеты. Уйдут в прошлое трубопроводы, саркофаги реакторов. Многие государства смогут освободить свою экономику от необходимости закупать дорогостоящие источники электричества.

Солнечная энергия

По сути дела, все природные топливные ископаемые были образованы миллионы лет назад с участием и под воздействием солнечных лучей. Таким образом, можно сказать, что человечество давно и активно пользуется продуктами, получаемыми от солнца. Собственно говоря, и наличием рек и озер мы обязаны этому неиссякаемому источнику, который обеспечивает кругооборот воды.

Однако под современной солнечной энергетикой понимается не это. Относительно недавно ученые смогли разработать и произвести специальные батареи. Они вырабатывают электричество при попадании на их поверхность солнечных лучей. Данная технология относится к альтернативному способу получения электроэнергии.

Солнце, пожалуй, является самым мощным источником из всех ныне известных. За три дня планета Земля получает столько энергии, сколько не содержится во всех разведанных и потенциальных месторождениях всех видов тепловых ресурсов. Однако поверхности земной коры достигает лишь 1/3 этой энергии, а большая часть рассеивается в атмосфере.

В мире имеются установки, которые используют энергию солнечных лучей для получения пара. Он приводит во вращение генератор и вырабатывается электричество. Однако подобные установки являются большой редкостью.

Независимо от того, по какому принципу вырабатывается электроэнергия, установка должна оснащаться коллектором – устройством для концентрации солнечных лучей. Наверняка многие видели собственными глазами солнечные батареи. Создается впечатление, что они находятся под темным стеклом. Оказывается, подобное покрытие и являет собой простейший коллектор.

Принцип его работы основывается на том, что темный прозрачный материал пропускает солнечные лучи, но задерживает и отражает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Внутри батареи расположены трубки с рабочим веществом. Так как тепловое излучение не пропускается сквозь темную пленку, то температура рабочих жидкостей значительно превышает температуру окружающей среды.

Еще одна разновидность покрытия – вогнутое зеркало. Такое оборудование является весьма дорогостоящим решением, поэтому оно и не нашло широкого применения. Такой коллектор может обеспечить нагрев до трех тысяч градусов по Цельсию.

Данное направление бурно развивается. В Европе уже никого не удивишь домами, отключенными от электрических сетей. Однако в промышленных масштабах электроэнергия этим методом не вырабатывается. На крышах таких домов красуются солнечные батареи. Это весьма сомнительное вложение. В лучшем случае, установка такого оборудования окупится лишь за десть лет эксплуатации.

Использование морских течений

Это весьма необычный способ получения электроэнергии. За счет разницы температур в северных районах океанов и южных (экваториальных), по всему объему возникают мощные течения. Ели погрузить в воду турбину, то мощное течение будет ее вращать. На этом основан принцип действия таких электростанций.

Однако в настоящее время этот источник энергии активно не используется. Очень много инженерных задач еще предстоит решить. Ведутся лишь опытно-экспериментальные работы. Наиболее активно продвигаются в этом направлении англичане. Не исключено, что в недалеком будущем у берегов Великобритании возникнут колонии энергетических установок, лопасти которых будут приводиться в движение морскими течениями.

Способы получения электроэнергии в домашних условиях

Электроэнергию можно вырабатывать и в домашних условиях. А если серьезно подойти к этому вопросу, то можно даже удовлетворить потребности домашнего хозяйства в электроэнергии.

Прежде всего следует отметить, что некоторые из перечисленных способов получения электричества вполне применимы и в условиях частного хозяйства. Так, многие фермеры и просто владельцы загородных имений, устанавливают на своих участках ветряные мельницы. Также все чаще на крышах загородных домов можно увидеть солнечные батареи.

https://www.youtube.com/watch?v=yIRHPwAKiwY

Существуют и иные способы производства электричества, но об их практическом применении не может быть и речи. Это, скорее, ради забавы, или с целью эксперимента.