§ 61. Способы получения и передача электрической энергии

ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК И ЕГО СТАНДАРТ

Электрическая энергия чрезвычайно удобна для практического использования: она мгновенно передаётся на огромные расстояния, легко превращается в механическую работу, свет, тепло или химическую энергию и не оставляет дыма непосредственно на рабочем месте. Однако в природе электрическая энергия не существует в готовом для промышленного использования виде (за исключением разрушительных разрядов молний). Её необходимо непрерывно вырабатывать на специализированных предприятиях — электростанциях.

Если в катушку, замкнутую на чувствительный гальванометр, периодически вдвигать и выдвигать постоянный магнит (см. рис. 164), стрелка прибора будет ритмично отклоняться то вправо от нуля, то влево. Это наглядно свидетельствует о том, что в цепи непрерывно меняется не только величина электрического тока, но и его направление.

Электрический ток, периодически изменяющийся со временем по величине и направлению, называют переменным током.

Именно переменный ток питает осветительную сеть наших домов, заводов, больниц и школ.

В России и большинстве стран Евразии принят единый государственный стандарт промышленного переменного тока с частотой 50 Гц (герц). Частота 50 Гц означает, что свободные электроны в проводах совершают 50 полных колебаний в секунду: за одну секунду ток меняет своё направление ровно 100 раз (50 раз течёт в одну сторону и 50 раз — в строго противоположную).

УСТРОЙСТВО ПРОМЫШЛЕННОГО ИНДУКЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА

Преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью электромеханических индукционных генераторов. Их принцип действия базируется на явлении электромагнитной индукции (возникновении тока в контуре при вращении внутри него магнитного поля, рис. 166, б).

Современный промышленный генератор переменного тока состоит из двух основных конструктивных частей (рис. 173):

1. Статор (неподвижная часть машины):
   • Представляет собой массивную цилиндрическую стальную станину, закреплённую на фундаменте.
   • На внутренней поверхности статора прорезаны продольные пазы, в которые уложены толстые изолированные медные шины или многовитковые провода.
   • Именно в обмотке статора при изменении пронизывающего её магнитного потока индуцируется мощный рабочий переменный электрический ток, который снимается прямо с неподвижных клемм и направляется потребителям без искрящих скользящих контактов.
2. Ротор (вращающаяся часть машины):
   • Размещается внутри статора и насаживается на массивный стальной рабочий вал.
   • Ротор представляет собой сильный вращающийся электромагнит. На его стальной сердечник сложной формы намотана обмотка возбуждения, в которую через скользящие кольца и щётки подаётся постоянный ток от небольшого вспомогательного генератора постоянного тока.
   • При вращении ротора механической силой создаваемое им сильное магнитное поле вращается вместе с ним. Магнитные силовые линии ротора непрерывно пересекают витки статора, порождая в них переменный магнитный поток и возбуждая сильный переменный ток.

ПРИВОД ГЕНЕРАТОРОВ: ТУРБИНЫ ТЭС, ГЭС И АЭС

Чтобы ротор генератора непрерывно вращался, преодолевая огромное электродинамическое сопротивление магнитного поля, его вал должен приводиться в движение мощным первичным механическим двигателем — турбиной:

• Паровые турбины:

Используются на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) станциях. Вода нагревается в котле или ядерном реакторе, превращаясь в пар под колоссальным давлением (до 240 атмосфер) и температурой свыше 540 °C. Струи пара с огромной скоростью бьют по лопаткам турбины, раскручивая её вал до стандартной скорости 3000 оборотов в минуту (что ровно соответствует частоте 50 Гц для двухполюсного ротора).

• Гидравлические турбины (водяные турбины, рис. 174):

Устанавливаются на гидроэлектростанциях (ГЭС). Падающий с высоты плотины водяной поток вращает массивное лопастное колесо турбины. Водяные турбины вращаются значительно медленнее паровых (обычно от 60 до 250 об/мин). Чтобы при медленном вращении сохранить стандартную частоту тока 50 Гц, ротор гидрогенератора делают многополюсным (с десятками пар чередующихся магнитных полюсов по окружности, рис. 174).

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТИПОВ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Все основные электростанции классифицируют по виду используемого первичного энергоресурса (табл. 10 учебника):

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ РЕСУРСЫ И АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Все природные источники энергии подразделяют на две группы:

1. Невозобновляемые ресурсы: каменный уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы и урановая руда. Запасы этих ископаемых образовывались миллионы лет и при современных темпах потребления будут исчерпаны в ближайшие столетия.
2. Возобновляемые ресурсы: энергия текущих рек, биомасса, а также неисчерпаемые энергоресурсы планеты — лучистая энергия Солнца, кинетическая энергия ветра, энергия морских приливов и отливов, глубинное геотермальное тепло Земли.

В настоящее время наряду с традиционной энергетикой стремительно развивается альтернативная энергетика:

• Ветровые электростанции (ВЭС): гигантские ветрогенераторы с пропеллерными лопастями;
• Солнечные электростанции (СЭС): фотоэлектрические кремниевые панели, преобразующие свет напрямую в электричество;
• Приливные (ПЭС) и геотермальные (ГеоТЭС): использующие энергию океана и подземных горячих гейзеров.

Главным достоинством альтернативной энергетики является минимальный вред для биосферы и полная независимость от запасов ископаемого углеводородного топлива.