Согласно современным научным представлениям, энергия – это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, которая не возникает из ничего и не исчезает, а только может переходить из одной формы в другую в соответствии с законом сохранения энергии. Различают энергию механическую, тепловую, электрическую, электромагнитную, ядерную, химическую, гравитационную и др.
Для жизнедеятельности человека наиболее важное значение имеет потребление электрической и тепловой энергии, которые возможно извлекать из природных источников – энергоресурсов.
Энергоресурсы – это первичные источники энергии находящиеся в окружающей природе.
Среди различных видов энергии, используемых человеком, особое место занимает наиболее универсальный из ее видов – электрическая энергия.
Широкое распространение электрическая энергия получила благодаря следующим ее свойствам:
-
возможность получения практически из любых энергоресурсов при умеренных затратах;
-
простоте трансформации в другие формы энергии (механическую, тепловую, звуковую, световую, химическую);
-
способность сравнительно легко передаваться в значительных количествах на большие расстояния с огромной скоростью и относительно небольшими потерями;
-
возможность использования в устройствах, различающихся по мощности, напряжению, частоте.
Электрической энергией человечество пользуется с 80-х годов XIX века.
Поскольку общее определение энергии – это мощность за единицу времени, то единица измерения электрической энергии представляет собой киловатт за час (кВт·ч).
Основными величинами и параметрами, с помощью которых можно охарактеризовать электрическую энергию, описать ее качество, есть общеизвестные:
-
электрическое напряжение – U, В;
-
электрический ток – I, А;
-
полная, активная и реактивная мощности – S, P, Q в киловольт-амперах (кВА), киловаттах (кВт) и киловольт-амперах реактивных (квар) соответственно;
-
коэффициент мощности cosϕ;
-
частота – f, Гц.
Электрическая энергия имеет ряд особенностей:
-
она непосредственно не подлежит визуальному восприятию;
-
легко превращается в иные виды энергии (например, в тепловую, механическую);
-
достаточно просто и с большой скоростью передается на большие расстояния;
-
простота ее распределения в электрических сетях;
-
проста в использовании с помощью машин, установок, приборов;
-
позволяет изменять свои параметры (напряжение, ток, частота);
-
удобна для контроля и управления;
-
качество ее определяет качество работы оборудования, которое потребляет эту энергию;
-
качество энергии в месте производства не может служить гарантией ее качества в месте потребления;
-
неразрывность во временном измерении процессов производства и потребления энергии;
-
процесс передачи энергии сопровождается ее потерями.
Для получения электрической энергии необходимы энергетические ресурсы, которые могут быть возобновляемые и невозобновляемые. К возобновляемым ресурсам относят те, которые полностью восстанавливаются в пределах жизни одного поколения (вода, ветер, древесина и т. д.). К невозобновляемым ресурсам относят ранее накопленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся – уголь, нефть, газ.
Любой технологический процесс получения электрической энергии подразумевает однократное или многократное преобразование различных видов энергии. При этом энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, и т. д.), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на электростанциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т. д.).
Основу традиционной энергетики составляют тепловые электрические станции (ТЭС), использующие энергию органического топлива и ядерного горючего, и гидроэлектростанции (ГЭС). Единичная мощность электростанций, как правило, велика (сотни МВт установленной мощности) и они объединены в крупные энергосистемы. На больших электростанциях вырабатывается более 90 % всей потребляемой электроэнергии, и они составляют основу комплекса централизованного электроснабжения потребителей.
В названиях электростанций обычно отражено какой вид первичной энергии в какую вторичную преобразуется, например:
-
тепловая электрическая станция (ТЭС) преобразует энергию тепла в электричество;
-
гидроэлектростанция (ГЭС) преобразует энергию движения воды в электроэнергию;
-
ветроэлектростанция (ВЭС) преобразует энергию ветра в электрическую энергию.
Для сравнительной характеристики технологических процессов производства электрической энергии используют такие показатели, как коэффициент полезного использования энергии, удельная стоимость 1 кВт установленной мощности электростанции, себестоимость вырабатываемой электроэнергии и т. п.
Электрическую энергию передает электромагнитное поле проводника, этот процесс имеет волновой характер. Причем часть электроэнергии, которая передается, расходуется в самом проводнике, т. е. теряется. Отсюда вытекает понятие «потери электроэнергии». Потери электроэнергии есть во всех элементах электрической системы: генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи и т. п., а также в электроприёмниках (электрических двигателях, электротехнологических устройствах и агрегатах).
Общая потеря электроэнергии складывается из двух частей: номинальных потерь, которые определяются условиями работы при номинальных режимах и оптимальном выборе параметров системы электроснабжения, и дополнительных потерь, обусловленных отклонением режимов и параметров от номинальных значений. Экономия электроэнергии в системах электроснабжения основывается на минимизации как номинальных, так и дополнительных потерь.