Потребность в электроэнергии постоянно растет. Как сгенерировать достаточно энергии для всех нужд? Давайте рассмотрим современные способы генерации электроэнергии высокого напряжения.
История открытия электричества и начало генерации
Первые опыты по изучению электрических явлений начали проводить еще в Древней Греции около 600 г. до н.э. Однако промышленного применения эти знания не находили вплоть до XIX века.
В 1820-х и начале 1830-х годов британский ученый Майкл Фарадей открыл основной принцип выработки электроэнергии, который используется и сегодня. Его метод заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при движении этого контура между полюсами магнита возникает электрический ток.
Первое промышленное производство электроэнергии началось в 1882 году на станции Перл-стрит в Нью-Йорке. Там паровой двигатель приводил в движение динамо-машину, которая производила постоянный ток для освещения улицы. Это положило начало повсеместной электрификации городов.
Принцип работы электрогенератора
Современные электрогенераторы основаны на принципе электромагнитной индукции. Вращающийся магнит (или электромагнит) создает изменяющийся магнитный поток, который наводит электродвижущую силу (ЭДС) в неподвижных проводниках - обмотке статора. Величина ЭДС определяется скоростью изменения этого потока:
Различают синхронные генераторы, в которых скорость вращения ротора строго постоянна и совпадает с частотой вырабатываемого тока, и асинхронные, где скорости могут незначительно отличаться.
Основные параметры генератора:
- Мощность - определяет количество вырабатываемой электроэнергии;
- КПД - отношение выходной мощности к затраченной;
- Надежность - важна при длительной непрерывной работе.
Для повышения мощности генераторов их объединяют в электростанции. Наиболее крупные станции могут производить миллионы кВт электроэнергии.
Повышающие трансформаторы
Однако вырабатываемое генераторами напряжение обычно невелико, а для передачи на большие расстояния требуется высокое напряжение. Поэтому используют генерирование электрической энергии трансформаторы - устройства для преобразования напряжения переменного тока.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Переменный ток в первичной обмотке создает переменный магнитный поток в сердечнике, который наводит ЭДС во вторичной обмотке. Отношение числа витков в обмотках определяет коэффициент трансформации - во столько раз изменится напряжение. Например, если в первичной обмотке 100 витков, а во вторичной 1000, то напряжение возрастет в 10 раз.
Таким образом, используя каскад трансформаторов, можно последовательно повышать напряжение вырабатываемого тока до сотен тысяч вольт, что позволяет эффективно передавать электроэнергию на большие расстояния.
Традиционные электростанции
Для выработки электроэнергии в промышленных масштабах используются различные типы электростанций:
- ТЭС (тепловые электростанции) - используют тепловую энергию сжигания органического топлива;
- ГЭС (гидроэлектростанции) - используют кинетическую энергию воды;
- АЭС (атомные электростанции) - используют энергию деления ядер.
Тепловые электростанции
На ТЭС происходит генерирование электрической энергии за счет сжигания органического топлива, чаще всего угля или газа. Выделяемое тепло используется для получения пара, вращающего турбину с электрогенератором.
К достоинствам ТЭС относят высокую маневренность и регулируемость мощности. К недостаткам - вредное воздействие на экологию из-за выбросов в атмосферу.
Гидроэлектростанции
На ГЭС энергия падающей воды используется для вращения гидротурбин, соединенных с генератором. Такой способ генерирования электрической энергии относится к возобновляемым источникам и не наносит вреда окружающей среде.
Однако ГЭС имеют ограниченность применения из-за необходимости большого и постоянного водного потока. Кроме того, они обладают низкой регулируемостью мощности в зависимости от сезона и погодных условий.
Атомные электростанции
На АЭС происходит генерирование электрической энергии за счет деления ядер атомов в ядерном реакторе. Выделяемое тепло также используется для получения пара и вращения турбогенераторов.
К преимуществам АЭС относят экологичность, высокую энергоэффективность и низкую себестоимость производимой электроэнергии. Однако существуют риски техногенных аварий, которые могут привести к радиоактивному заражению местности.
Альтернативные источники энергии
Помимо традиционных способов, разрабатываются и альтернативные технологии генерирования электрической энергии. К ним относят:
- Солнечные электростанции
- Ветровые электростанции
- Геотермальные электростанции
- Параметрическое генерирование электрической энергии
Такие источники энергии считаются возобновляемыми и экологичными. Однако они пока не получили широкого распространения по экономическим причинам и из-за технических ограничений.
Солнечные электростанции
На солнечных электростанциях происходит преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью фотоэлектрического эффекта. Солнечный свет поглощается полупроводниковыми элементами, что приводит к возникновению электрического тока.
К преимуществам такого генерирования электрической энергии относят экологичность и использование неисчерпаемого возобновляемого ресурса. Однако существует проблема сезонных и суточных колебаний интенсивности солнечного излучения, а также высокая стоимость оборудования.
Ветровые электростанции
На ветряных электростанциях кинетическая энергия движения воздушных масс преобразуется в механическую энергию вращения лопастей турбины, которая затем передается электрогенератору.
К достоинствам такого способа генерирования электрической энергии можно отнести экологичность и низкие эксплуатационные затраты. Однако существенным недостатком является непостоянство скорости ветра.
Геотермальные электростанции
На геотермальных станциях в качестве источника энергии для выработки электричества используется естественное тепло Земли. Пароводяная смесь из скважин приводит в действие турбогенератор.
К плюсам такого генерирования электроэнергии относится возобновляемость ресурса и экологичность. Минусом является ограниченность мест для строительства ГеоЭС - требуются участки с аномально высоким тепловым потоком из недр.
Параметрическое генерирование
Параметрическое генерирование электрической энергии основано на использовании нелинейных свойств электрической цепи. При накачке системы энергией с определенными параметрами может возникать электрические колебания и генерироваться ЭДС большей мощности.
Данный метод потенциально обладает высоким КПД, однако пока не вышел за рамки научных изысканий из-за трудностей практической реализации.
Заключение
В статье подробно рассматриваются различные способы и технологии генерирования электрической энергии - как традиционные (тепловые, гидро- и атомные электростанции), так и альтернативные (солнечные, ветровые и др.). Описаны принципы работы, достоинства и недостатки каждого метода, а также перспективные направления развития отрасли. Дан анализ экономических и экологических аспектов производства электроэнергии.
