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 cosфи;
-
частота – f, Гц.
Подробнее об этом смотрите здесь: Основные электрические величины
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.
Одно из замечательных и ценнейших свойств электрической энергии состоит в том, что ее можно передавать на большие расстояния. Электричество помогает человеку побеждать пространство. Стальной вал может приводить в действие машины, находящиеся на расстоянии десятков метров.
Горячую воду или пар — по хорошо изолированным трубам можно получать с расстояния в несколько километров. Но только электроэнергию можно передавать на многие сотни километров. Однако не сразу удалось передавать электроэнергию на сотни километров.
На пути развития дальних электропередач встали немалые трудности. Большой помехой оказалось нагревание проводов током — потеря драгоценной электрической энергии на бесполезное образование тепла. Ведь с электростанций приходится передавать энергию очень большой мощности, и при значительном расстоянии ее потери становятся огромными.
Как бороться с ними, как уменьшить вредное нагревание проводов? Делать провода более толстыми? Тогда уменьшится их сопротивление току, а значит и нагревание.
Однако расчет показывает, что для передачи на расстояние 100 км тока в 40 000 кВт при рабочем напряжении 380 В с потерей в 15% пришлось бы проложить медный брус толщиной 1,5 м2. Понятно, что такое решение практически непригодно. Но нашелся другой путь решения этой задачи.
Нагревание проводов зависит от величины тока: чем она больше, тем больше и потеря энергии на нагревание. Значит, чтобы снизить потерю энергии, надо по возможности уменьшить ток. А для этого необходимо повысить напряжение. Это и делают на электростанциях повышающие трансформаторы.
Возможность передавать электрическую энергию на большие расстояния имеет огромное значение. Перевозка топлива по железным дорогам обходится очень дорого и загружает транспорт. Гораздо выгоднее сжигать топливо на месте, в топках электростанций, а полученную электрическую энергию передавать по проводам на десятки и сотни километров.
Смотрите также - Почему передачу электроэнергии на расстояние выполняют на повышенном напряжении
Линии передач — металлические каналы электрической энергии — связывают электростанции между собой и объединяют их в энергетические системы. Это позволяет лучше и выгоднее использовать мощность различных станций — тепловых, речных, атомных — и лучше обслуживать потребителей энергии.
Гидростанции не всегда могут работать одинаково: в разное время года в реке протекает различное количество воды. Когда воды много, большая часть нагрузки приходится на гидростанции, а теплоэлектростанции, включенные в ту же систему, в это время могут сэкономить топливо. Во время же мелководья тепловые станции пускают в ход большее число турбин и генераторов, так что общее количество энергии в системе не уменьшается. Города и заводы равномерно снабжаются энергией.
Сами потребители также в разное время берут неодинаковое количество электроэнергии. Слыхали ли вы выражение «часы пик»? Это — вечерние часы, когда везде включается освещение, а заводы еще продолжают работать. В эти часы нужно особенно много энергии.
Объединение станций в общую систему дает возможность включать в это время резервные мощности, а когда количество потребляемой энергии уменьшается — выключать их. Объединение электростанций позволяет более маневренно использовать их мощности.
Но бывает и так, что та или другая электростанция или линия передачи временно перестает работать из-за аварии или ремонта. Без объединения станций целый район лишился бы электрической энергии, остановились бы заводы. А при объединении станций в единую энергетическую систему одни станции замещают другие и потребители бесперебойно снабжаются электроэнергией.
Обычно электростанции и потребители электроэнергии соединяются линиями электропередачи в замкнутые кольцевые системы, и, если прекращается подача электрической энергии с одной стороны кольца, потребители продолжают получать ее по линиям электропередачи с другой стороны.
Диафильм фабрики экранных учебно-наглядных пособий "Энергия и мощность электрического тока":
Энергия и мощность электрического тока - 1964 г.
Широкое использование электроэнергии является основой технического прогресса. На любом современном промышленном предприятии все производственные машины и механизмы приводятся в движение электрической энергией.
Так, например, она позволяет по сравнению с другими видами энергии с наибольшими удобствами и наилучшим технологическим эффектом осуществлять термическую обработку материалов (нагрев, плавка, сварка). В настоящее время в больших масштабах используется действие электрического тока для разложения химических веществ и получения металлов, газов, а также для поверхностной обработки металлов с целью повышения их механической и коррозийной устойчивости.
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.