Лекції Введення до електроенергетики Історія пізнання та опанування електричними явищами



Сторінка1/9
Дата конвертації03.12.2016
Розмір1.33 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9
Лекції Введення до електроенергетики

Історія пізнання та опанування електричними явищами

Достеменно відомо, що вже за тисячу років до нашої ери в південно-східній Азії використовувались природні магніти для виготовлення компаса, а в руїнах древнього Вавілону були виявлені рештки пристрою, який мабуть був першою електричною батареєю. Перший історичний запис, що стосувався електрики, веде нас в VІ ст. до н.е., коли Фалес Мілетський отримав статичну електрику, натираючи шматок бурштину сухою тканиною.

На основі знахідок німецького археолога В.Кьоніга в околицях теперішнього Багдаду, зібраних ним в 1936 році, може вважатися встановленим, що приблизно в 250 році до н.е. в парфян були в застосуванні мідно-залізні гальванічні елементи з електролітом із винної, уксусної чи лимонної кислоти (рис.1.1).

1 - катод (залізо)

2 - анод (мідь)

3 - електроліт

4 - теракотова оболонка

5 - соляна ізоляція

6 - пайка свинцево-олов’яним припоєм

ЕРС цього елемента могла складати біля 0,8 В, а отримуваний струм, як показала перевірка, достатній для

гальванічної позолоти.

Першим джерелом електроенергії нашої ери став електростатичний генератор, винайдений в 1663 році мером міста Магдебурга Отто фон Герікс (1602-1686 р.р.). Через малу потужність таких генераторів (навіть через 200 років після багатьох вдосконалень їх потужність не перевищувала 1 Вт) практичне застосування в енергетичних цілях було неможливе.

Новий етап розвитку електротехніки почався з винайдення в 1799 р. гальванічного елемента італійським фізиком Александро Вольта (1745-1827 р.р.). З’явилась можливість шляхом з’єднання цих елементів в батареї отримати струми до декількох при напрузі від 1В до приблизно 2 кВ.

За допомогою створеної російським фізиком В.В.Петровим (1761-1834) потужної для того часу гальванічної батареї ним в 1802 р. відкрите явище електричної дуги.

Згодом стало зрозуміло, що економічно невигідне використання г. батарей для виробництва електроенергії в яких-завгодно великих масштабах. Тим більше, що техніко-економічними розрахунками була доведена неприйнятність їх для живлення електродвигунів. В 1832 р. по ідеї та замовленню французького фізика Андре Марі Ампера (1775-1836 рр.) було виготовлено перший електромашинний генератор, який міг бути обладнаний комутатором (для отримання постійного струму) чи працювати без нього (для отримання змінного струму). Даний генератор був обладнаний ручним приводом.

В 1842 р. англійський підприємець Джон Стівен Вулріч з’єднав генератор постійного струму через пасову передачу з паровою машиною і використав для живлення промислових гальванічних ванн. Цей рік по праву може вважатися роком народження електропостачання промислових установок, так як до цього на базі гальванічних елементів могли створюватись тільки лабораторні, дослідницькі чи дрібноремісницькі електроустановки.

Бурхливому розвитку електротехніки сприяли наукові обґрунтування різноманітних електричних явищ, виведення законів та закономірностей вченими ХVШ-ХІХ ст. Це, як відомо, Ш.Кулон (закон електростатичних та магнітних взаємодій), А.Ампер (закон взаємодії струмів), Г.Ом, Г.Кірхгоф (закономірності електричного струму), Д.Джоуль, Е.Х.Ленц.(закон теплової дії електричного струму), М.Фарадей (електромагнітна індукція), Дж. Максвел (роботи про поширення електричних і магнітних полів у просторі) та багато інших відкриттів, які наштовхували на створення різноманітних електричних машин та апаратів.

В 1842 р. почався практичний розвиток електричного освітлення - з’явились перші придатні для застосування дугові лампи. Щоб нові джерела світла конкурували зі старими, стали потрібними дешеві та прості генератори; в першу чергу слід було усунути один із головних недоліків генераторів - недешеве та громіздке збудження від гальванічних елементів. Проблема вирішилась винайденням в 1856 році самозбудження (одночасно та незалежно один від одного вчені Е.В.Сіменс, англійські електротехніки Генрі Уайльд та Семюел Варлі). Після цього стала швидко формуватись електротехнічна промисловість. В 1873 р. на одному з підприємств нової галузі промисловості - на електромашинобудівному заводі французького винахідника та підприємця Зеноба Грамма (1826-1901 рр.) на генераторах власного виготовлення була споруджена перша електростанція для потреб заводського освітлення. Почався новий етап електропостачання - перехід від індивідуальних спеціалізованих генераторних установок до заводських електростанцій.

Поява дугових ламп Яблочкова та ламп розжарювання Едісона (1847-1931 рр.) настільки розширило коло споживачів електричної енергії, що виникла необхідність спорудження електростанцій загального призначення. В 1879 р. Едісон розробив програму, за якою необхідно було розробити потужні генератори з високою постійністю ЕРС, надійні конструкції розподільчих мереж та їх елементів, прилади обліку електроенергії, методи та засоби захисту елементів ЕП від КЗ, систему стандартизації параметрів і розмірів обладнання.

З програми Едісона бере початок прикладна наука про електропостачання.

З розвитком електроспоживання та електростанцій виникла необхідність оцінки ефективності та дальності передачі електроенергії. Найбільш широкомасштабні експерименти та наукові дослідження були проведені французьким електротехніком Марселем Депре (1843-1918 рр.), який в 1885 р. домігся передачі потужності 30 кВт на відстань 56 км (Крейль-Париж) з ККД 78%, використовуючи напругу біля 6 кВ постійного струму.

Майже одночасно відкрили явища обертового магнітного поля Г.Феррарі (1885 р.) і Н.Тесла (1888 р.). Російським інженером М.О.Доливо-Добровольським (1862-1919рр) був відкритий трифазний струм і побудований простий та надійний двигун з короткозамкнутим ротором. Разом з відкриттям трансформатора це викликало революційне перетворення в промисловості, так як забезпечило можливість застосування електричного приводу різних верстатів та передачу електроенергії трифазним струмом.

Двадцяте століття ознаменоване новими відкриттями й винаходами в області застосування електрики. Перш за все вдалось збільшити потужність електротехнічних пристроїв при незмінному їх об’ємі за рахунок застосування нових матеріалів і більш вдосконалених конструкцій.

Вирішальний вплив на розвиток електротехніки виявив бурхливий розвиток електротехніки. Широке застосування досягнень електроніки стало основою розробки та промислового застосування принципово нових електротехнічних пристроїв і забезпечило гнучкість та зручність управління класичними машинами змінного та постійного струмів.

В теперішніх розробках з електротехніки важливу роль відіграють магнітні поля. Їх властивості широко застосовуються в сучасних розроблюваних проектах. Однією з таких проблем є реакція термоядерного синтезу, де в створених установках за допомогою магнітного поля утримується деякий час плазма для запалювання. В установках «Токамак» досягнута температура плазми 8 107 оС і час утримання 0,1 С.

Перспективним напрямком розвитку електротехніки є вирішення прямого (без проміжних стадій) перетворення різних видів енергії в електричну. Одним з таких напрямків є розвиток магнітогідродинамічного перетворення теплоти в електрику (МГД-генератори).

Крім вищевказаного особливої уваги слід приділяти альтернативним джерелам енергії. Але технічні засоби перетворення даних видів енергії в електричну потребують вдосконалення.

Електродинаміка. Електромагнітне поле

До цих пір ми розглядали електростатичні та магнітостатичні поля. Відкриття Фарадея, Максвела, Герца започаткували вчення про електромагнітне поле.

Закон електромагнітної індукції в формулюванні Фарадея записується у вигляді

епр = Вlv




















Взаємодія

провідника

зі струмом і

магнітного поля




















Рис 1.2 Електромагніт








Якщо між полюсами магніту (рис 1.2) рухається провідник і перетинає  напрямлене поле вектора В, то в провіднику виникає ЕРС і по замкнутому провіднику піде струм в напрямку ЕРС. (Напрям ЕРС - за правилом правої руки).

Явище ЕМІ лежить в основі перетворення механічної енергії в електричну і навпаки.



Значення енергетики в технічному прогресі

Засвоєння природних енергетичних ресурсів стимулювало створення машин, які виконують складні операції і дозволило перекласти на них значну частину фізичної і нетворчої праці. Потреби енергії постійно зростають, що змушує шукати нові енергоресурси та нові способи перетворення енергії одного виду в інший. Основна особливість електроенергії, яка відрізняє її від інших видів енергії, в тому, що вона може легко передаватись на великі віддалі та відносно просто і з малими втратами перетворюватись в інші види енергії. Потужності, які людина отримує штучним шляхом, співрозмірні з потужностями геофізичних і геологічних процесів, процесів, що відбуваються в атмосфері,космосі. В т.ч. необхідно враховувати тісний взаємозв’язок штучних систем з природними системами.















Схема 1.1 Система з природними підсистемами


Енергосистема, в якій виробляється електрична і теплова енергія, безпосередньо пов’язана з системою паливопостачання. Спорудження енергосистеми та умови її роботи багато в чому визначаються природними факторами (наявність водойм і географічне розташування енергоресурсів і споживачів. Стан біосфери, рівень її забруднення, пов’язаний з роботою енергетичних установок, накладають певні обмеження на технічні характеристики та умови роботи енергосистем.

Керування енергосистемою повинно проводитись з врахуванням не лише її впливу на біосферу, але і соціальних функцій паливопостачальної системи, потреби в енергії промисловості і транспорту та інших факторів.



Використання енергетичних ресурсів

Під енергією слід розуміти як кількісну оцінку різних форм руху матерії, які можуть перетворюватись одна в одну. По видах енергія поділяється на хімічну, механічну, електричну, ядерну і т.д. Придатна для практичного використання людиною енергія зосереджена в матеріальних об’єктах, які називають енергетичними ресурсами. Енергоресурси, які використовуються у великій кількості для практичних потреб називаються основними (органічне паливо - вугілля, нафта, газ; енергія рік, морів, океанів, сонця, вітру, теплова енергія земних надр (геотермальна)).

Енергоресурси поділяються на відновлювані та не відновлювані. До перших відносять енергоресурси неперервно відновлювані природою (вода, вітер і т.п.), а до других - енергоресурси, раніше накопичені в природі, але в нових геологічних умовах не утворювані (кам’яне вугілля).

Енергія безпосередньо взята в природи ( енергетичного палива, води, вітру, ядерна) називається первинною.

Енергія отримана людиною після перетворення первинної енергії на спеціальних установках - станціях, називається вторинною (електрична енергія, енергія пари, гарячої води).

Для роботи потужних електроустановок потрібна порівняно мала кількість такого палива. Середня енергоємність по усіх видах становить 0,834 кВт год/кг (3х106 Дж/кг).

Потреби енергоресурсів швидко ростуть, збільшується їх споживання, що викликано збільшення світового промислового виробництва. Після 2000 р. світових запасів енергоресурсів без врахування можливостей ядерної та термоядерної енергетики, вистачить на 100-250 років, при споживанні 100-240 тис.ТВт год. (20-30 млрд.т умовного палива). Загальногеологічні запаси палива оцінюються в 200 млн.ТВт год.

Значна частина енергоресурсів витрачається на електростанціях для виготовлення електроенергії. Сумарна потужність електростанцій в світі перевищує 2 млрд.кВт.



Види енергоресурсів та їх запаси

Енергетичні ресурси (джерела енергії) - це матеріальні об'єкти, в яких зосереджена енергія, придатна для практичного використання людиною. Як згадувалося раніше, енергоресурси поділяють на первинні та вторинні. Первинні енергоресурси - це природні ресурси, які не переробляли і не перетворювали: сира нафта, природний газ, вугілля, горючі сланці, вода річок і морів, гейзери, вітер тощо. Енергію, що безпосередньо можна видобути з цих ресурсів, теж називають первинною (див. схему 2).



Схема 2.1. Класифікація первинної енергії

У свою чергу, первинні ресурси (або джерела енергії) поділяють на відновлювані і невідновлювані і, відповідно, відновлювані та невідновлювані види енергії. Невідновлювані джерела енергії - це природно утворені й накопичені в надрах планети запаси речовин, здатних за певних умов звільняти енергію, що міститься в них. Такими є викопне органічне паливо (вугілля, нафта, природний газ, торф, горючі сланці), ядерне паливо. Відновлювані джерела енергії - ті, відновлення яких постійно здійснюється в природі (сонячне випромінювання, біомаса, вітер, вода річок та океанів, гейзери тощо) і які існують на основі постійних чи періодично виникаючих в природі потоків енергії, наприклад: сонячне випромінювання (біомаса, енергія сонця, вітру, хвиль); гравітаційна взаємодія Сонця, Місяця і Землі (наслідком якої є, скажімо, морські припливи та відпливи); теплова енергія ядра Землі, а також хімічних реакцій і радіоактивного розпаду в її надрах (геотермальна енергія джерел гарячої води - гейзерів). Крім природних джерел відновлюваних енергоресурсів, сьогодні дедалі більшого значення набувають антропогенні, до яких належать теплові, органічні та інші відходи діяльності людства.

Різні види енергетичних ресурсів мають різну якість, для палива її характеризує теплотворна спроможність, тобто скільки енергії (тепла) може виділити це джерело. Щоб порівняти теплотворну здатність ресурсів, потрібно порівняти їх питомі енергоємності, тобто кількість енергії, що припадає на одиницю маси енергоресурсу.

Запаси водню невичерпні та не пов'язані з певним регіоном планети. Під час його спалювання утворюється вода, яка не забруднює навколишнє середовище. Зараз водень зазвичай якого виду палива порівнюється з витратою так званого умовного палива (у. п.). В Україні, як і в інших країнах пострадянського простору, умовним паливом вважається паливо, при згорянні 1 кг якого виділяється 29,3х106 Дж, чи 7000 ккал, енергії. У деяких розвинутих країнах еквівалентом є паливо, при згорянні якого виділяється 41,9х106 Дж, що становить 10000 ккал і відповідає нафтовому показнику енергоємності (нафтовий еквівалент, який скорочено наводиться - o.e. ). З урахуванням цього можна записати: 1 тонна o.e. = (10000/7000 ) тонни у.п. = 1,43 тонни у.п.

З таблиці 6 видно, що високу енергоємність мають газ і нафта. Це спричинило їх "хижацьке" використання. Швидкий ріст споживання нафти як палива в ХІХ-ХХ ст. був зумовлений трьома основними причинами:

розвитком усіх видів транспорту (для автомобільного та авіаційного транспорту рідке паливо поки що незамінне);

досить простим видобуванням, транспортуванням і використанням нафти порівняно з твердим паливом;

можливістю одержання великих прибутків за рахунок експлуатації нафтових родовищ країн, що розвиваються.

Природні запаси нафти і газу дуже обмежені, тому слід скорочувати використання їх як джерел енергії. Але застосування їх у хімічній промисловості, як високоякісної сировини слід збільшувати досить перспективним видом палива, яке має втричі більшу питому енергоємність, порівняно з нафтою, є водень, науково отримують із природного газу. Застосовується також і процес електролізу - розкладання води під дією електричного струму. Цей спосіб має значні переваги, оскільки призводить до збагачення киснем навколишнього середовища. Широке застосування водневого палива може розв'язати три актуальні проблеми:

зменшити споживання органічного та ядерного палива;

задовольнити зрослі потреби в енергії;

зменшити забруднення довкілля.

Невідновлювані джерела енергії

"Невідновлювані ресурси Землі повинні розроблятися таким чином, щоб забезпечити захист від виснаження ресурсів у майбутньому та щоб зиск від їх розробки отримувало все людство."

(Декларація з проблем оточуючого людину середовища.

Принцип 5. Стокгольм, 1972)

Невідновлювані ресурси - це викопне паливо, що складається з пальних речовин, незгоряючих залишків і вологи. Паливні копалини ха­рактеризуються спільним походженням пальної частини. Вони утворюються переважно з рослин­ної маси, але містять також певну кількість білкових і жирових речовин тваринного походження. Мільйони років у надрах Землі тривав процес розкладання рештків тварин і рослин, що колись переробили і зберегли сонячну енергію. У результаті утворилися такі невідновлювані джерела енергії, як нафта, вугілля, природний газ, торф, горючі сланці, запаси котрих досить обмежені.

Поки людство не почало використовувати невідновлювані джерела, кількість накопиченої в них енергії залишалась незмінною. Це як скарб, заритий в землю, що залишається незмінним, доки хто-небудь не знайде його і не почне витрачати. А швидкість, з якою ми витрачаємо невідновлювані джерела енергії, в багато разів перевищує час їх утворення. Тому основною вадою невідновлюваних джерел енергії є те, що рано чи пізно вони будуть вичерпані.

Друга значна вада - використання непоновлюваних джерел енергії завдає великої шкоди природі. Негативні наслідки їх споживання ми ще детальніше розглянемо в наступних частинах підручника.

Чому ж людство використовує непоновлювані джерела енергії попри всі їх вади й далі? Цьому є кілька причин: економічні (прагнення швидко отримати прибутки); психологічні (небажання змінювати звичний спосіб життя); і, навіть, політичні (енергія - це влада).

Людству треба прагнути витрачати якомога менше енергії невідновлюваних джерел і чим більше - відновлюваних (мал. 3).

Органічне паливо на Землі видобуваємо в твердій (торф, різні види вугілля і т.п.), рідкій (нафта) та газоподібній (природний газ) формі, що зумовлено розкладанням органічних речовин та їх джерелом. Розкладання відмерлої багатоклітинної рослинності, яке відбувається в товщі Землі в заболочених місцях, де шар води перешкоджає вільному доступу повітря, призводить до утворення темно-бурої маси торфу, в якому трапляються залишки рослин, що не розклалися (листя, стебла). В подальшому під дією тиску, температури і мікроорганізмів торф'яна маса перетворюється на буре вугілля. Продуктами наступних стадій перетворення бурого вугілля є кам'яне вугілля й антрацит (рис. 2.2).

До твердого викопного палива належать і горючі сланці. Це мінеральні породи, просякнуті органічними речовинами.

Природним рідким паливом є нафта - суміш вуглеводнів та розчинених в ній компонентів, які перебувають у рідкому стані при нормальному атмосферному тиску та температурі. У ній міститься деяка кількість рідких кисневих, сірчистих і азотистих сполук. Існує декілька теорій щодо походження нафти. За найпоширенішою, нафта - це продукт розпаду нижчих рослинних та тваринних організмів, що існували в морях і океанах сотні мільйонів років тому. Гинучи, вони формували відкладення на глибинах від 30 метрів до 8 кілометрів. За іншою теорією, розробленою в інституті геологічних наук НАН України, нафта, це продукт синтезу Гідрогену та Карбону в при поверхневих шарах Землі. Прихильники органічної теорії походження видів горючих копалин притримуються думки, що нафта і газ є побічними продуктами процесу вуглеутворення. Природний газ суто газових родовищ складається переважно з метану (95-98 % СН4)



Природний газ, як нафта і вугілля, утворився в надрах Землі з рештків рослин і дрібних тварин.

Сучасне індустріальне суспільство немислиме без таких невідновлюваних енергоджерел, як газ, нафта і вугілля. Високо розвинуті країни отримують з них близько 80 % енергії. Крім того, що запаси цих енергоджерел обмежені, їхнім величезним недоліком є забруднення навколишнього середовища як у місцевому, так і у всепланетному масштабі. При цьому маса утворених газоподібних чи твердих продуктів згоряння, що надходять у навколишнє середовище, у кілька разів перевищує масу використаного палива. Наприклад, при спалюванні природного газу - у 5 разів, при спалюванні вугілля - у 4 рази! Завдяки застосуванню новітніх технологій у виробництві енергії можна трохи знизити негативний вплив паливно-енергетичного комплексу (ПЕК) на навколишнє середовище. Для вироблення електроенергії у світі за останні 30 років на теплових електричних станціях (ТЕС) використано 76 млрд. тонн вугілля, 3 млрд. тонн мазуту, 3 трлн. м3 газу, а на АЕС - тільки 0,2 млн. тонн ядерного палива. Якщо розглядати структуру світової витрати палива людством, то атомна енергетика посідає близько 6%, органічне паливо - близько 89%, а всі нетрадиційні джерела енергії - лише 2%. Спалювання органічного палива призводить до щорічного викиду 27 млрд. тонн карбону (IV) оксиду (С02) в атмосферу і мільйонів тонн оксидів Сульфуру та Нітрогену.





Торф

Торф є найменш сформованою формою вугілля, що досить сильно зберегла риси рослинного походження і складається з води (до 90%), Карбону (5%) та летких сполук (5%). Залягає він переважно на болотах. У помірному кліматі середньорічна швидкість росту торфу на болотах 0,55-1,0 мм, а на верхових болотах 1-2 мм. У тропічному кліматі вона значно вища. Фахівці вважають, що необхідно 300 років для утворення торф'яного шару завтовшки 9 метрів. Поклади торфу в Україні поширені, головним чином, у західних, північно-західних та північних областях. Сьогодні виявлено понад 2500 родовищ торфу із запасами понад 2260 млн.т., з яких вироблено понад 45 % розвіданих запасів. Торф'яники займають площу близько 10 000 км2. Можливе використання торфу в якості палива на теплоелектростанціях, та для побутових потреб. Торф розробляють відкритим способом, тому його видобування пов'язане з негативним впливом на довкілля (мал. 2.3). На існуючих в Україні торфопереробних заводах є достатні потужності для суттєвого збільшення видобутку кускового торфу для безпосереднього використання як палива, фрезерного торфу як сировини для газифікації та брикетування торфу для забезпечення населення місцевим паливом. Але останній вважається низькоефективним завдяки великому вмісту води. Торф використовується не тільки як паливо. Він є цінною сировиною для хімічної і біохімічної промисловості, медицини, машинобудування, будівництва і ряду інших галузей. Так, наприклад, з торфу отримують білкові продукти, жири, вітаміни, барвники, цінний віск для особливо точного литва, виготовлення мастил для полірування хромованих і нікельованих виробів, просочення паперу, шкіри, дерева, у виробництві олівців і косметики.


  1   2   3   4   5   6   7   8   9


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка