Инфоурок Физика Другие методич. материалыМетодическая разработка урока по физике на тему "Производство, передача и использование переменного тока"

Методическая разработка урока по физике на тему "Производство, передача и использование переменного тока"

Скачать материал


Управление образования и науки Липецкой области

Государственное областное бюджетное профессиональное

образовательное учреждение

«Лебедянский торгово-экономический техникум»









Методическая разработка урока


по дисциплине «Физика»


конференция


«Производство, передача и использование электрической энергии»







Подготовила: Маркова С. В.


Рассмотрена на заседании цикловой методической комиссии математических и общих естественнонаучных дисциплин

протокол №___ «____»________20 г.

Председатель ЦМК: _____________________ Маркова С. В.








Лебедянь,

2019 г.

Аннотация



Настоящая методическая разработка написана в качестве рекомендательного пособия для преподавателей.

Методическая разработка написана с целью обмена опытом, оказания методической помощи преподавателям в проведении открытых уроков по дисциплине «Физика».

Естественнонаучное образование, ядром которого всегда служили физика, математика, химия, биология, экология, является одним из компонентов подготовки подрастающего поколения к самостоятельной жизни. Сегодня, когда перед образованием стоит проблема создания условий для формирования всесторонне развитой личности, способной жить и творить в быстро изменяющемся мире, основной задачей обучения является целостное формирование научных знаний, технических умений, единой картины мира.

В реализации данных задач помогает проведение нетрадиционных уроков с использованием различных форм, это и игры, и турниры, и соревнования, и конференции, и исследования. Эта работа предполагает выявление у студентов склонностей и способностей к работе в различных направлениях творческой деятельности. Организация самостоятельной творческой исследовательской работы на уроках и реализация полученных знаний, умений и навыков во внеурочной деятельности содействует эффективному решению учебно-воспитательных задач.

Очень интересны в этом плане конференции, которые можно провести как на уроке, так и во внеурочное время. Здесь предложена конференция «Производство, передача и использование электрической энергии».






Содержание


Введение…………………………………………………………………………..4


    1. Форма проведения

    2. Цели мероприятия

    3. Материально-техническое обеспечение


Основная часть……………………………………………………… ………… 6


  1. Организационная часть

  2. Мотивация деятельности

  3. План конференции:

  1. Производство электрической энергии;

    • Тепловые электростанции;

    • Гидроэлектростанции;

    • Атомные электростанции;

    • Альтернативные источники энергии

  2. Передача электрической энергии;

  3. Использование электрической энергии;

4. Итоги конференции


Заключение……………………………………………………………………...23


Литература………………………………………………………………………25


Приложения…………………………………………………………………......26










Введение



Методическая разработка написана на основе педагогического опыта автора.

Данный урок проводится после изучения темы «Электромагнитные колебания» как итоговый урок. Вопросы, рассматриваемые на конференции, расширяют знания студентов по вопросам производства электроэнергии на электростанциях различного вида, устройстве и принципе их работы, передачи электроэнергии от источников тока к потребителям, о роли электроэнергии в жизни человека, о влиянии различных электростанций на окружающую среду. Так же полезно в канун 30-летия трагедии на Чернобыльской АЭС вспомнить, какой вред может нанести АЭС.

В последние десятилетия деятельность человека оказывает огромное по масштабам и интенсивности воздействие на природную среду. Материал конференции позволяет проанализировать влияние разного вида электростанций на экологическую обстановку в мире, рассмотреть пути выхода из сложившейся экологической ситуации.




















Тема: «Производство, передача и использование электрической энергии»


Форма проведения: урок-конференция


Цели:


дидактическая: рассмотреть устройство, принцип действия тепловых, гидро- и атомных электростанций, провести анализ положительного и отрицательного действия электростанций на окружающую среду, рассмотреть пути выхода из создавшейся экологической обстановки, т.е. альтернативные источники электроэнергии; рассмотреть принципы передачи электроэнергии от источников к потребителям; рассмотреть роль электроэнергии в жизни человека, вспомнить трагические последствия аварии на Чернобыльской АЭС;


развивающая: развивать интерес к цифровой информации, описывающей состояние окружающей среды, познавательную активность и творчество студентов, их смекалку, наблюдательность, умение применять знания в новой ситуации, умение объяснять окружающие явления, расширять кругозор студентов;


воспитательная: воспитывать экологическое сознание, навыки коллективной работы в сочетании с самостоятельностью, чувство ответственности, взаимовыручки, уважение к мнению товарищей.


Материально-техническое обеспечение:


Оборудование: мультимедийная установка, компьютер.

Наглядные пособия: презентация, фильм о Чернобыльской трагедии, программа конференции.

Методическое обеспечение занятия: рабочая программа, календарно-тематический план урока, методическая разработка конференции, учебно-методическая карта занятия.




Основная часть



Звучит «Электрическая поэма» А. Ерошина

В розетках электричества – 
Громадные количества.
Бежит оно по сёлам, 
Бежит по городам.
При этом умудряется, 
Представьте – умудряется,
Как в цирке, умудряется –
Бежать по проводам!


Ему не отдыхается, 
Журналов не читается,
Ему не нужно кресло 
И не нужна кровать.
Не спит оно, не ест оно, 
При этом умудряется,
Прекрасно умудряется 
Повсюду поспевать:


Сверлит, строгает, гладит – 
С любой работой ладит.
И крутится, и вертится,
И варит, и прядёт.
И коврик пылесосит,
И в каждой лампе светит,
И за усы троллейбусы
По городу ведёт!

Оно кругом встречается,
Но вот что получается:
Обидно, что потрогать нам
Его не суждено:
Когда его касаются,
Совсем чуть-чуть касаются –
Кусается,
Кусается
Немедленно оно!


Вступительное слово преподавателя: Современная цивилизация немыслима без широкого использования электроэнергии. Нарушение снабжения электроэнергией большого города при аварии парализует его жизнь.

Электрическая энергия обладает неоспоримым преимуществом перед другими видами энергии. Ее можно передавать по проводам на огромные расстояния со сравнительно малыми потерями и удобно распределять между потребителями. Главное же в том, что эту энергию с помощью достаточно простых устройств легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю, энергию света и т. д.

Переменный электрический ток никогда не получил бы такого широкого применения, если бы его нельзя было преобразовывать (изменять в широких пределах напряжение и силу тока) почти без потерь энергии. Такие преобразования необходимы во многих электро- и радиотехнических устройствах. Но особенно необходима трансформация напряжения и тока при передаче электроэнергии на большие расстояния.

Поэтому на конференции мы и остановимся на производстве электроэнергии на электростанциях различного вида, ее передачи от источников к потребителям, использовании электроэнергии в промышленности, транспорте и быту, а также рассмотрим положительную и отрицательную роли различных электростанций для экологической обстановки и рассмотрим пути выхода из нее.

1. Производство электрической энергии

  1. Рассматривается вопрос о производстве электроэнергии на тепловых электростанциях (Приложение 1).

  2. Рассматривается вопрос о производстве электроэнергии на гидроэлектростанциях (Приложение 2)

  3. Рассматривается вопрос о производстве электроэнергии на атомных электростанциях (Приложение 3)

  4. Авария на Чернобыльской АЭС (Приложение 4)

Просмотр документального фильма об аварии на Чернобыльской АЭС

  1. Рассматривается вопрос о производстве электроэнергии на альтернативных источниках электроэнергии (Приложение 5).

Преподаватель: Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производится же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливо и гидроресурсов. Электроэнергию не удается консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния, а это связано с заметными потерями. Как же решить эту проблему?

2. Передача электрической энергии

Рассматривается вопрос о передаче электроэнергии от источников к потребителям (Приложение 6).

3. Использование электрической энергии

Рассматривается вопрос об использовании электроэнергии. (Приложение 7).

7. Подведение итогов конференции

Преподаватель: потребность в электроэнергии постоянно увеличивается как в промышленности, на транспорте, так и в быту. Удовлетворить эту потребность можно двумя способами.

Самый естественный на первый взгляд способ – строительство новых мощных электростанций. Но это строительство требует нескольких лет и больших затрат. Важно и то, что например тепловые электростанции потребляют невозобновляемые природные ресурсы: нефть, газ, уголь. Также электростанции наносят большой ущерб экологическому равновесию на нашей планете.

Передовые технологии позволяют удовлетворить потребности в электроэнергии другим способом – эффективно использовать электроэнергию.

Например, на освещение расходуется около 25% всей производимой энергии. Поэтому замена ламп на энергосберегающие, не оставлять лампы включенными позволит экономить энергоресурсы.

Кроме того необходимо разрабатывать новые экологически чистые источники получения электроэнергии.

Заключение


Из    всех   отраслей   хозяйственной   деятельности   человека энергетика оказывает   самое   большое   влияние   на   нашу   жизнь. Вся история энергопотребления доказывает, что с ростом уровня жизни увеличивается количество необходимой человеку энергии.

Когда первобытные люди овладели энергией, произошла революция в их жизни. Люди научились варить и жарить пищу, убивая болезнетворные микробы паразитов, содержащихся в ней. Овладев огнем, они могли отпугивать диких животных, согреваться, изготавливать примитивные металлические орудия труда и оружие для охоты.

Любая деятельность, независимо от ее природы, предполагает использование энергии. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и   работа   промышленности - все это требует затрат энергии.  Человеческая деятельность на земле является доказательством того, что люди использовали и используют много энергии.

Каждому современному человеку понятно, что самая удобная энергия для использования в промышленности и в быту – электрическая. От всех видов энергии электрическая выгодно отличается тем, что её мощные потоки можно практически мгновенно передавать на тысячекилометровые расстояния, преобразовывать ее в различные виды энергии.

Ежегодно для производства электроэнергии используется различные виды топлива топлива, гидроресурсы, ядерное топливо.

В последние десятилетия деятельность человека оказывает огромное по масштабам и интенсивности воздействие на природную среду. Свидетельство тому – возникновение многих экологических проблем. К ним можно отнести:

  • истощение природных ресурсов;

  • глобальное потепление климата («парниковый эффект»);

  • истончение озонового экрана в стратосфере;

  • проблема чистой пресной воды;

  • проблема мелиоративно неблагополучных земель;

  • кислотные осадки;

  • сокращение видового разнообразия живой природы;

  • проблема утилизации отходов;

  • экологическая безграмотность россиян и т. д.

У нас, по мнению ученых, существует не менее чем 15-летнее отставание экологического образования от мирового уровня. Поэтому сейчас большое внимание следует уделять экологическому воспитанию подрастающего поколения. Одним из условий реализации экологического образования студентов является информация и пути решения проблем окружающей среды. Бытует мнение, что вопросами экологии следует заниматься на уроках биологии и географии. Но это не так, большой вклад в дело экологического образования можно внести и на уроках и внеклассных мероприятиях по физике. Ведь в переводе с греческого слово «физика» означает «природа». Пришла пора использовать физику как инструмент сохранения окружающей среды.

В данной методической разработке представлена одна из тем физики «Производство, передача и использование электрического тока», которую можно посвятить изучению экологических проблем и путей выхода из создавшейся экологической обстановки.

















Литература


    1. Дмитриева В.Ф. Физика, - М.: Изд. Центр «Академия», 2010;

    2. Мякишев Б.Б., Буховцев Н.Н. Физика-11, - М.: Просвещение, 2012;

    3. Петрухина М.А. Физика. Нестандартные занятия, внеурочные мероприятия, - Волгоград: Учитель, 2011;

    4. Фадеева Г.А., Попова В.А. Физика и экология, - Волгоград: Учитель, 2010;

    5. Энциклопедия для детей. Физика, - М.: Аванта+, 1999;

    6. Энциклопедия для детей. Биология, - М.: Аванта+, 1999;

    7. Энциклопедия для детей. Экология. – М.: Аванта+, 1999.










Приложение 1

Производство электроэнергии на ТЭС


В тепловых электростанциях (ТЭС) электроэнергия образуется за счет сжигания органических веществ. Во время сжигания химическая энергия преобразуется в тепловую, а тепловая уже в электрическую энергию. Чаще всего, топливом для тепловых электростанций является уголь, но может быть и газ, торф, мазут и другие органические вещества.

Впервые тепловые электростанции появились в конце 19 века и широкое распространение получили в 60-70 годах 20 века.

Наибольшее распространение получили два типа теплоэлектростанций – теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) конденсационные электростанции (КЭС). Различие их в том, что теплоэлектроцентрали, помимо электроэнергии, вырабатывают также и тепловую энергию в виде горячей воды и пара, а конденсационные электростанции производят только электроэнергию.

Принцип работы ТЭС следующий – уголь или любое другое органическое вещество поступает в топливный бункер, а затем в специальную топку парогенератора, где сгорает. По парогенератору постоянно циркулирует очищенная вода, которая за счет выделения тепла при сгорании топлива нагревается и превращается в пар. Пар доводится до температуры 400-650°С, после чего попадает в паровую турбину, где происходит выработка электроэнергии.

В конденсационных электростанциях коэффициент полезного действия сравнительно небольшой – всего 30-40%. В теплоэлектроцентралях же, установлена специальная теплофикационная турбина, в которой часть пара используется для выработки электроэнергии, а часть – для теплоснабжения потребителей. Коэффициент полезного действия же теплоэлектроцентрали выше и составляет 60-70%.

Как правило, теплоэлектроцентрали строят вблизи жилых массивов и крупных предприятий – потребителей тепла.

Гораздо реже встречаются ТЭС с дизельными, парогазовыми и газотурбинными установками.

Газотурбинные электростанции (ГТЭС) используют в качестве топлива газ или жидкое органическое топливо. Все продукты сгорания этого топлива, имеющие высокую температуру, попадают в турбину, которая вращает электрогенератор. В парогазовых электростанциях (ПГЭС) предусматривается наличие парогенератора, в котором образуется пар. Пар доводится до температуры 500-700 ºС, после чего поступает в турбину электрогенератора. Коэффициент полезного действия ГТЭС невелик, около 26-29%. У ПГЭС КПД чуть больше – около 40-43%.

В настоящее время среди ТЭС самыми экономичными являются паротурбинные электростанции. Мощность паровых турбин может достигать 1 млн. 200 тыс. кВт. Струи пара температурой 500-600°С поступают одновременно через несколько сопел, которые расположены на вращающихся дисках. При переходе пара через турбину, его температура и давление снижается постепенно. Вал такой турбины прочно скреплен с валом генератора. Энергия пара передается ротору, который вырабатывает электрическую энергию.

Коэффициент полезного действия такой ТЭС составляет около 40 %, а на выработку 1 кВт/ч электрической энергии затрачивается около 300-500 граммов угля.

Тепловые электростанции наносят существующий вред окружающей среде, так как при выработке электроэнергии в атмосферу выделяется большое количество вредных веществ. Кроме того, строительство таких электростанций изменяет ландшафт местности, а выработка электроэнергии исчерпывает запасы природных ресурсов топлива.

Приложение 2

Производство электроэнергии на ГЭС

Гидроэлектроста́нция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

мощные — вырабатывают от 25 МВт и выше;средние — до 25 МВт; малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС зависит от напора и расхода воды, а также от КПД используемых турбин и генераторов. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального использования напора воды:

высоконапорные — более 60 м; средненапорные — от 25 м; низконапорные — от 3 до 25 м.

В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.

Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:

русловые и плотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.

приплотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.

деривационные гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС. Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.

гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные периоды (не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы от внешних источников энергии и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и приводит в действие турбины.

В состав гидроэлектрических станций, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъёмники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации, и многое другое.

Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.



История:

Наиболее достоверным считается, что первой гидроэлектростанцией в России была Березовская (Зыряновская) ГЭС, построенная в Рудном Алтае на реке Березовка (приток р. Бухтармы) в 1892 году. Она была четырехтурбинная общей мощностью 200 кВт и предназначалась для обеспечения электричеством шахтного водоотлива из Зыряновского рудника.

На роль первой также претендует Ныгринская ГЭС, которая появилась в Иркутской губернии на реке Ныгри (приток р. Вачи) в 1896 году. Энергетическое оборудование станции состояло из двух турбин с общим горизонтальным валом, вращавшим три динамо-машины мощностью по 100 кВт. Первичное напряжение преобразовывалось четырьмя трансформаторами трехфазного тока до 10 кВ и передавалось по двум высоковольтным линиям на соседние прииски. Это были первые в России высоковольтные ЛЭП. Одну линию (длиной 9 км) проложили через гольцы к прииску Негаданному, другую (14 км) — вверх по долине Ныгри до устья ключа Сухой Лог, где в те годы действовал прииск Ивановский. На приисках напряжение трансформировалось до 220 В. Благодаря электроэнергии Ныгринской ГЭС в шахтах установили электрические подъемники. Кроме того, электрифицировали приисковую железную дорогу, служившую для вывоза отработанной породы, которая стала первой в России электрифицированной железной дорогой.

Россия имела достаточно богатый опыт промышленного гидростроительства, в основном, частными компаниями и концессиями.

Особенности:

  1. Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях

  2. Турбины ГЭС допускают работу во всех режимах от нулевой до максимальной мощности и позволяют плавно изменять мощность при необходимости, выступая в качестве регулятора выработки электроэнергии.

  3. Сток реки является возобновляемым источником энергии.

  4. Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое, чем тепловых станций.

  5. Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей, чем тепловые станции.

  6. Водохранилища часто занимают значительные территории, но примерно с 1963 г. начали использоваться защитные сооружения (Киевская ГЭС), которые ограничивали площадь водохранилища, и, как следствие, ограничивали площадь затопляемой поверхности (поля, луга, поселки).

  7. Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

  8. Водохранилища ГЭС, с одной стороны, улучшают судоходство, но с другой — требуют применения шлюзов для перевода судов с одного бьефа на другой.

  9. Водохранилища делают климат более умеренным.

Преимущества:

  • использование возобновляемой энергии;

  • очень дешевая электроэнергия;

  • работа не сопровождается вредными выбросами в атмосферу;

  • быстрый (относительно ТЭЦ/ТЭС) выход на режим выдачи рабочей мощности после включения станции.

Недостатки:

  • затопление пахотных земель;

  • строительство ведется только там, где есть большие запасы энергии воды;

  • горные реки опасны из-за высокой сейсмичности районов;

Экологические проблемы: сокращенные и нерегулируемые попуски воды из водохранилищ по 10-15 дней (вплоть до их отсутствия), приводят к перестройке уникальных пойменных экосистем по всему руслу рек, как следствие, загрязнение рек, сокращение трофических цепей, снижение численности рыб, элиминация беспозвоночных водных животных, повышение агрессивности компонентов гнуса (мошки) из-за недоедания на личиночных стадиях, исчезновение мест гнездования многих видов перелетных птиц, недостаточное увлажнение пойменной почвы, негативные растительные сукцессии (обеднение фитомассы), сокращение потока биогенных веществ в океаны.


Приложение 3

Производство электроэнергии на АЭС

Каждому современному человеку понятно, что самая удобная энергия для использования в промышленности и в быту – электрическая. Основная часть энергии вырабатывается на тепловых станциях гидроэлектростанциях. Атомные электростанции вырабатывают лишь небольшую долю энергии в нашей стране – порядка 16% с тенденцией к ежегодному повышению. При этом, например, во Франции более 90% энергии вырабатывается на атомных электростанциях.

Первая атомная станция в СССР появилась в 1954 году.

Основа советской атомной энергетики была заложена теоретическими и экспериментальными работами советских ученых во главе с академиком И.В. Курчатовым.

Ученые давно указывали, что в ядрах атомов скрыты необыкновенные запасы энергии, которую можно освободить – вспомним хотя бы знаменитую формулу Эйнштейна E=M*C^2.

Однако, человечество получило первую крошечную часть этих запасов совсем недавно – в конце 30-х годов прошлого века. Оказалось, что ядра тяжелых элементов – урана и тория, сталкиваясь с нейтральными частицами – нейтронами, распадаются на осколки. Разлетаясь с огромной скоростью, эти осколки могут передать веществу, в котором они движутся, часть своей энергии. При делении появляются новые нейтроны, которые вызывают распад ядер других атомов. Так возникает цепная реакция – саморазвивающийся процесс деления ядер урана.

На этой основе была сконструирована атомная (хотя правильнее говорить ядерная) бомба. В ней внутриядерная энергия освобождается мгновенно, производя огромный взрыв. Но ученые выяснили, что можно построить установки, в которых ядерная энергия будет выделяться замедленно. Такие устройства были названы ядерными реакторами, или атомными котлами, а протекающие в них реакции – управляемыми.

Если паровые котлы и двигатели внутреннего сгорания сжигают тонны горючего, то атомные реакторы той же мощности расходуют не тонны, а граммы. А в природе этого горючего достаточно – разведенные запасы урана и тория в двадцать раз превосходят по количеству скрытой в них энергии все известные мировые запасы угля и нефти.

Атомный реактор скрыт за тяжелой бетонной или водяной защитой, поскольку его опасное излучение не должно вредить людям, работающим рядом. А по реакторному залу можно спокойно ходить и даже стоять прямо над атомным котлом, поскольку между полом и реактором находится толстая бетонная кладка, либо мощный слой воды.

Реактор состоит из нескольких основных частей.

Во-первых, это ядерное топливо – обычный, или обогащенный уран. В реактор его помещают в виде тонких длинных стержней. Природный уран состоит из смеси двух изотопов с атомными весами в 235 и 238 единиц (U-235 и U-238).

Ядра урана 238 трудно поддаются делению. Для деления им нужны нейтроны только очень высоких энергий. А нейтроны, рождающиеся при делении, быстро теряют скорость – такие нейтроны уран 238 может только захватить без всякой пользы – захватить и не разделиться. А урану 235 наоборот прекрасно подходят медленные нейтроны – чем медленнее – тем лучше. Однако в природном уране содержится лишь 0,7% урана 235. Поэтому ядерное топливо приходится обогащать, увеличивая этот процент. В связи с тем, что обогащение представляет собой довольно сложный технологический процесс, это значительно удорожает конечный продукт – обогащенный уран 235.

Вторая часть реактора – замедлитель нейтронов.

Если родившийся при делении ядра нейтрон не замедлить, он не будет захвачен другим ядром урана 235, а попадет в ядро урана 238, где и пропадет без толку.

Хорошим замедлителем является графит. Еще лучше тормозит нейтроны тяжелая вода. Можно применять в качестве замедлителя и обычную воду. Летящий нейтрон отдает часть своей энергии ядрам замедлителя и теряет скорость. Теперь он готов к встрече с очередным ядром урана 235.


Третья часть реактора – отражатель.

Это тот же замедлитель, но расположенный вокруг реактора. Его атомы отражают нейтроны, стремящиеся покинуть котел.

Кроме того, в реакторе есть стержни, которые могут подниматься и опускаться, регулируя коэффициент прироста количества нейтронов в реакторе. Стержни изготавливают из материалов, активно поглощающих нейтроны. Чем глубже такие стержни погружены в реактор, тем больше нейтронов поглощают ядра их атомов. Автоматика управляет стержнями, ориентируясь на показатели регистраторов нейтронного потока. Из самых отдаленных участков котла идут сигналы о том, сколько там нейтронов: не повысилось ли их число (это опасно), не стало ли их слишком мало (тогда упадет мощность котла).

На случай возникновения опасности есть еще и дополнительные, аварийные стержни. При сигнале тревоги они падают внутрь реактора, собирают на себя все движущиеся нейтроны и реакция моментально останавливается.

Освобожденная внутриатомная энергия передается турбинам, которые вращают валы генераторов.

Осколки, образующиеся при делении ядер тяжелых атомов, разлетаются с колоссальной скоростью, унося с собой освобожденную энергию. Замедляясь, они передают энергию окружающим атомам. Температура в реакторе повышается. Здесь в дело вступает теплоноситель, призванный отвести тепло из реактора во внешнюю среду. Чаще всего через посредника (второй контур) теплоноситель передает тепло паровой турбине и возвращается обратно в реактор.

В качестве теплоносителя применяют воду, расплавленные металлы, газы.

Первый и второй контур являются замкнутыми, и вода в них не смешивается. Вода первого контура находится под воздействием нейтронов и сама становится радиоактивной. Вода второго контура – обычная очищенная вода. Именно ее пар и движет турбину. Чем горячее пар, попадающий в турбину, тем выше ее к.п.д. Чтобы вода второго контура сильнее нагревалась и легче превращалась в пар, нужно как можно выше поднять температуру воды первого контура.

Но кипеть она не должна. Для этого давление в первом контуре повышают до 100 атмосфер. При таком большом давлении вода остается водой и не превращается в пар даже при температуре 280 градусов. Во втором контуре, наоборот, необходимо чтобы вода как можно скорее закипела. Поэтому и давление здесь небольшое. Отдав тепло в парогенераторе, и охладившись с 280 до 190 градусов, вода первого контура снова возвращается в реактор, чтобы забрать очередную порцию тепла.

Преимущества и недостатки АЭС

Ядерная энергия обладает очень высокой степенью концентрации. По количеству производимой энергии 1 кг урана равен 2,5 тысячам тонн лучшего угля! При работе АЭС в нормальном режиме нет выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, в частности, углекислого газа. АЭС не загрязняют почву и водоемы золой и шлаками. Но АЭС производят значительное тепловое загрязнение природных водоемов, используемых для забора и выброса воды, используемой для охлаждения реактора. В зимнее время разница температуры сбросных вод и естественной температуры воды может достигать 10 °С. Тепловое загрязнение усиливает процессы эвтрофирования водоемов, приводит к изменению естественных условий обитания живых организмов.

Строительство АЭС обходится примерно в 5 раз дороже, чем строительство обычной тепловой электростанции, работающей на угле. Высокая стоимость ядерных реакторов и АЭС в целом объясняется необходимостью обеспечить строгие меры безопасности для предотвращения аварий. Кроме того, не следует забывать, что стоимость транспортировки, хранения и переработки радиоактивных отходов АЭС очень высока. Поэтому, вопреки мифу о дешевизне атомной энергии, она является самой дорогой энергией, если учесть все расходы, включая добычу и транспортировку радиоактивного сырья, строительство АЭС и утилизацию отходов. Чрезвычайно сложным и опасным процессом является демонтаж АЭС по окончании ее нормальной эксплуатации (после исчерпания ресурса). Серьезная опасность, обусловленная использованием ядерной энергии, таится в распространении по миру радиоактивных веществ, которые используются для изготовления ядерного оружия и, как следствие, могут быть использованы в ядерной войне или в ядерном терроризме.

































Приложение 4

Авария на Чернобыльской АЭС.

Основная опасность АЭС — возможность аварий с тяжелыми последствиями. Авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году — самая крупная из аварий такого рода. Масштабы этой аварии носят поистине глобальный характер. Ее последствия ощутило население многих стран. Экономический ущерб от Чернобыльской катастрофы в три раза превышает экономический эффект от использования атомной энергии за весь срок ее существования до катастрофы. Пока проблема обеспечения безопасности ядерной энергетики остается нерешенной.

Каждый год весь мир вспоминает одну из самых страшных техногенных катастроф XX века. 26 апреля 1986 года, в результате аварии на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС, произошел значительный выброс радиации. "Чернобыль стал серьезным уроком для всего человечества, а его последствия до сих пор суровым эхом отзываются и на природе, и на здоровье людей". "Масштабы трагедии могли стать неизмеримо большими, если бы не беспримерное мужество и самоотверженность ликвидаторов".

Прошло уже 30 лет, а боль останется. И будет каждый год напоминать о той ночи. На станции — дежурная смена. В соседней Припяти погасли огни — город спал. Взрыв раздался в половине второго.

Первый самолет из Киева приземлился в Москве уже в 9 часов вечера 26 апреля — привезли пожарные расчеты — бойцов, которые ночью тушили четвертый энергоблок. Диагноз — острая лучевая болезнь. После их транспортировки самолет был непригоден к эксплуатации. Очень скоро пострадавшие пожарные оказались на Митинском кладбище. Захоронение сначала было в низине. Позже было решено мемориал поднять, и на прах положить бетонную подушку.

Олег Генрих — оператор 5-й смены Чернобыльской АЭС уцелел, находясь в центральном зале четвертого энергоблока во время взрыва реактора.

"Там все было тоже завалено. Все плиты болтались, шипело, лилось, все непонятно. Единственный свет — это были окна, которые были выбиты в коридоре. Лунный свет, была ночь. Мы как-то немножко друг друга силуэты видели. И я увидел весь этот ужас — как моего напарника Анатолия Кургуза фактически обварило паро-водяной смесью", — вспоминает оператор 5-й смены четвертого энергоблока Чернобыльской АЭС.

Сегодня, спустя 30 лет, это кажется невероятным. Они получили огромные дозы облучения. Выжили, хотя похоронили многих друзей.

Владимир Зайцев — ветеран-десантник. В 1986 году — начальник службы РХБЗ, то есть защита от ядерных и химических атак. Два ордена за службу Родине: афганский и чернобыльский. Внедрял сбросы защитных смесей в реактор в перевернутых парашютах, чтобы сократить время "зависания" вертолета.

"Мы летели с генералом Антошкиным. Он и говорит: я не знаю, что делать — так если дальше пойдет, скоро в России, в Советском Союзе, говорит, не останется экипажей вертолетных. Внешнее облучение имеет какую особенность: ты вышел из зоны облучения — ты больше не облучаешься. А вот то, что ты нахватал, вдыхая — это уже, как говорится, на всю жизнь "подарок". Вот из-за этого-то, собственно говоря, очень много было поражений и смертей", — отмечает ветеран ВДВ Владимир Зайцев.

Один, два, три, четыре. До 90! Как только 90 — бросаете инструмент и бегом назад. Вопросы? — проходит инструктаж у ликвидаторов.

- Нет. Понятно.

300 тысяч солдат. Столько же — добровольцев. Вся страна, все республики бросились на ликвидацию. Убирали вручную смертоносные частицы реактора, эвакуировали 45-тысячную Припять. Снимали зараженный асфальт, стелили новый. Засыпали реактор, охлаждали, укрепляли, деактивировали. Строили защитный саркофаг. Справились за полгода.


Приложение 5

Альтернативные источники энергии

Альтернати́вная энерге́тика — совокупность перспективных способов получения, передачи и использования энергии, которые распространены не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования и, как правило, низком риске причинения вреда окружающей среде.

Альтернативный источник энергии

Основным направлением альтернативной энергетики является поиск и использование альтернативных (нетрадиционных) источников энергии. Источники энергии — «встречающиеся в природе вещества и процессы, которые позволяют человеку получить необходимую для существования энергию. Альтернативный источник энергии является возобновляемым ресурсом, он заменяет собой традиционные источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, вызывающий парниковый эффект и глобальное потепление. Причина поиска альтернативных источников энергии — потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных ресурсов и явлений. Во внимание может браться также экологичность и экономичность.

Классификация источников

Энергия, используемая человеком
  • Первоначальный природный источник

  • Солнечные электростанции

  • Солнечный ядерный синтез

  • Ветряные электростанции

  • Кинетическая энергия ветра

  • Солнечный ядерный синтез,

  • Движения Земли и Луны

  • Традиционные ГЭС

  • Малые Гэс

  • Движение воды в реках

  • Солнечный ядерный синтез

  • Приливные электростанции

  • Движение воды в океанах и морях

  • Движения Земли и Луны

  • Волновые электростанции

  • Энергия волн морей и океанов

  • Солнечный ядерный синтез,

  • Движения Земли и Луны

  • Геотермальные станции

  • Тепловая энергия горячих источников планеты

  • Внутренняя энергия Земли

  • Сжигание ископаемого топлива

  • Солнечный ядерный синтез в прошлом.

  • Сжигание возобновляемого топлива

    • традиционное

    • нетрадиционное

  • Химическая энергия возобновляемого топлива

  • Солнечный ядерный синтез

  • Атомные электростанции

  • Тепло, выделяемое при ядерном распаде

  • Ядерный распад


Потребление энергии - проблема устойчивого развития

Из    всех   отраслей   хозяйственной   деятельности   человека энергетика оказывает   самое   большое   влияние   на   нашу   жизнь. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и   работа   промышленности - все это требует затрат энергии.  

Ежегодно для производства энергии используется 10 млрд. тонн топлива. Около 40% этого количества приходится на нефть. Учитывая, что кроме нефти используются такие виды топлива, как уголь и природный газ, можно заключить, что более 90% всей потребляемой энергии производится с использованием углеродосодержащего сырья. Следствием такого масштабного использования ископаемых источников энергии может быть глобальное потепление (так называемый парниковый эффект) и недостаток ресурсов в будущем.

Перед   человечеством   уже   сегодня    встает    задача    освоения неисчерпаемых источников энергии.

В   течение   следующего   века   начнется   переход   к   альтернативным источникам энергии, эпоха «черного золота» пройдет и что произойдет с экономикой стран зависящих от нефти можно только догадываться.

Нетрадиционные источники энергии

Альтернативные источники энергии включают в себя солнечную, ветряную, приливную, геотермальную энергию, а также энергию, получаемую при сжигании биомассы. Темпы развития альтернативных источников энергии впечатляют. В последние 5 лет рост производства фотоэлектрических установок составляет порядка 30% в год. В связи с этим следует упомянуть проект "Тысяча крыш", реализованный в начале 1990-х гг. в Германии. Основную часть издержек (до 70%) при реализации этого проекта взяло на себя государство. В Германии на крышах 2250 домов были установлены фотоэлектрические установки. При этом роль резервного источника энергии играла электросеть, которая покрывала недостаток электроэнергии, а в случае ее избытка забирала излишек. Вскоре после этого, в США была начата еще более глобальная по масштабам программа "Миллион крыш", рассчитанная на период до 2010 года. На ее реализацию из федерального бюджета выделено около $6 млрд. Логично предположить, что в ближайшие годы количество подобных проектов будет только увеличиваться.

Биотопливо

Солнечная энергия

У солнечной энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий.

Однако использованию солнечной энергии мешает ряд трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Даже в пустынях, где преобладает безоблачная погода, день сменяется ночью.

Следовательно, необходимы накопители солнечной энергии. И наконец, многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана.

Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления (в том числе горячего водоснабжения) и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в электроэнергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства электроэнергии на основе теплового цикла.


Ветроэнергетика

  Энергия ветра на земле неисчерпаема. Многие столетия человек пытается превратить энергию ветра себе на пользу, строя ветростанции, выполняющие различные функции: мельницы, водяные и нефтяные насосы, электростанции. Как показала практика и опыт многих стран, использование энергии ветра крайне выгодно, поскольку, во- первых, стоимость ветра равна нулю, а во-вторых, электроэнергия получается из энергии ветра, а не за счет сжигания углеродного топлива, продукты горения которого известны своим опасным воздействие на человека(СО,SO2…….). В связи с постоянными выбросами промышленных газов в атмосферу и другими факторами возрастает контраст температур на земной поверхности. Это является одним из основных факторов, который приводит к увеличению ветровой активности во многих регионах нашей планеты и, соответственно, актуальности строительства ветростанций.


   
Ветроэлектрическая станция (ВЭС)

Преобразует кинетическую энергию ветрового потока в электрическую. ВЭС состоит из ветромеханического устройства (роторного или пропеллерного), генератора электрического тока, автоматических устройств управления работой ветродвигателя и генератора, сооружений для их установки и обслуживания.

Ветроэнергетическая установка - это комплекс технических устройств для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора генератора. ВЭУ состоит из одной или нескольких ВЭС, аккумулирующего или резервирующего устройства и систем автоматического управления и регулирования режимов работыустановки. Удаленные районы, недостаточно обеспеченные электроэнергией, практически не имеют другой, экономически выгодной альтернативы, как строительство ветроэлектростанций. Ветер обладает кинетической энергией, которая может быть превращена ветромеханическим устройством в механическую, а затем электрогенератором в электрическую энергию.

Мускульная сила человека

Хотя мускульная сила является самым древним источником энергии, и человек всегда стремился заменить её чем-то другим, в настоящее время её значение растёт вместе с ростом использования велосипеда.

Геотермальная энергетика

Используется как для нагрева воды для отопления, так и для производства электроэнергии. На геотермальных электростанциях вырабатывают немалую часть электроэнергии в странах Центральной Америки, на Филиппинах, в Исландии; Исландия также являет собой пример страны, где термальные воды широко используются для обогрева, отопления.

  • Тепловые электростанции (принцип отбора высокотемпературных грунтовых вод и использования их в цикле)

  • Грунтовые теплообменники (принцип отбора тепла от грунта посредством теплообмена) Геотермальная энергия, т.е. теплота недр Земли, уже используется в ряде стран, например в Исландии, России, Италии и Новой Зеландии. Земная кора толщиной 32–35 км значительно тоньше лежащего под ней слоя – мантии, простирающейся примерно на 2900 км к горячему жидкому ядру.

  • Мантия является источником богатых газами огненно-жидких пород (магмы), которые извергаются действующими вулканами. Тепло выделяется в основном вследствие радиоактивного распада веществ в земном ядре. Температура и количество этого тепла столь велики, что оно вызывает плавление пород мантии. Горячие породы могут создавать тепловые «мешки» под поверхностью, в контакте с которыми вода нагревается и даже превращается в пар. Поскольку такие «мешки» обычно герметичны, горячая вода и пар часто оказываются под большим давлением, а температура этих сред превышает точку кипения воды на поверхности земли. Наибольшие геотермальные ресурсы сосредоточены в вулканических зонах по границам корковых плит.

Биомассовая энергетика

При гниении биомассы (умершие организмы, растения) выделяется биогаз с высоким содержанием метана, который и используется для обогрева, выработки электроэнергии и пр. Много идей посвящено выращиванию быстрорастущих водорослей и загрузке их в такие же биореакторы, а также подобному использованию других органических отходов (стеблей кукурузы, тростника и др.).

Грозовая энергетика

Грозовая энергетика — это способ использования энергии путём поимки и перенаправления энергии молний в электросеть. Компания Alternative Energy Holdings 11 октября 2006 года объявила о создании прототипа модели, которая может использовать энергию молнии. Предполагалось, что эта энергия окажется значительно дешевле энергии, полученной с помощью современных источников, окупаться такая установка будет за 4—7 лет.

Космическая энергетика

Получение электроэнергии в фотоэлектрических элементах, расположенных на околоземной орбите или на Луне. Электроэнергия будет передаваться на Землю в форме микроволнового излучения. Может способствовать глобальному потеплению. До сих пор не применяется.

Водородная энергетика

На сегодняшний день для производства водорода требуется больше энергии, чем возможно получить при его использовании, поэтому считать его источником энергии нельзя. Он является лишь средством хранения и доставки энергии.

Почему нам нужны возобновляемые источники энергии?

Энергия сегодня

Энергию, которую мы используем сегодня, получают, в основном, из ископаемых видов топлива. Уголь, нефть и природный газ - ископаемые виды топлива, созданные в течение миллионов лет в процессе распада растений и животных. Месторасположение этих ресурсов - недра Земли. Под воздействием высокой температуры и давления процесс образования ископаемых видов топлива продолжается и сегодня, однако их использование происходит намного быстрее, чем образование. По этой причине ископаемые виды топлива считаются невозобновляемыми, поскольку их ресурсы могут исчерпаться в недалеком будущем. Кроме того, сжигание ископаемых видов топлива ведет к загрязнению и другим негативным воздействиям на природную среду. Поскольку наше существование зависит от энергии, мы должны использовать такие ее источники, ресурсы которых были бы неограниченными. Такие источники энергии называются возобновляемыми. Кроме того, производство энергии из возобновляемых источников не наносит вред окружающей среде в отличие от сжигания ископаемых видов топлива.

Среди ископаемых видов топлива особое место занимает уран - ядерное топливо, ресурсы которого могут быть истощены менее чем за 100 лет. Однако, в так называемых реакторах-размножителях, можно получать новый уран. В то же время, в связи с проблемой радиоактивных отходов, которая представляет опасность в течение миллионов лет, а также после Чернобыльской катастрофы, продемонстрировавшей риск, связанный с использованием атомной энергии, большинство правительств индустриальных стран отказывается от использования атомной энергии. Этот процесс продолжается несмотря на тот факт, что атомная энергия, при производстве которой почти не образуются парниковые газы, может в какой-то степени рассматриваться в качестве решения проблемы глобального изменения климата. Проблема парниковых газов, признанная одной из наиболее важных среди множества других, требует уменьшить использование энергии ископаемых видов топлива.

Перспективы

Перспективы использования возобновляемых источников энергии связаны с их экологической чистотой, низкой стоимостью эксплуатации и ожидаемым топливным дефицитом в традиционной энергетике.

По оценкам Европейской комиссии к 2020 году в странах Евросоюза в индустрии возобновляемой энергетики будет создано 2,8 миллионов рабочих мест. Индустрия возобновляемой энергетики будет создавать 1,1 % ВВП.

Перспективы в России

Россия может получать 10 % энергии из ветра По сравнению с США и странами ЕС использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России находится на низком уровне. Сложившуюся ситуацию можно объяснить доступностью традиционных ископаемых энергоносителей. Один из основных барьеров для строительства крупных электростанций на ВИЭ — отсутствие положения о стимулирующем тарифе, по которому государство покупало бы электроэнергию,производимую на основе ВИЭ .

Распространение

В 2010 году альтернативная энергия (не считая гидроэнергии) составляла 4,9% всей потребляемой человечеством энергии.В том числе для отопления и нагрева воды (биомасса, солнечный и геотермальный нагрев воды и отопление) 3,3%; биогорючее 0,7%; производство электроэнергии (ветровые, солнечные, геотермальные электростанции и биомасса в ТЕС) 0,9%.

Здоровье людей

Мы питаемся продуктами, пьем воду и вдыхаем воздух, на которые воздействуют кислотные осадки. Исследования, проведенные канадскими и американскими учеными показывают, что существует связь между экологическим загрязнением и заболеваниями органов дыхания у наиболее чувствительной части населения, такой как дети и астматики.Сообщается, что воздействие озона и других фотохимических окислителей тоже негативно влияет на человеческое здоровье. Повышенный уровень озона может вызывать преждевременное старение легких и другие болезни дыхательного тракта, например, повреждение функции легкого или повышение предрасположенности организма к бронхитам. Наблюдается увеличение случаев наступления приступов астмы и респираторных заболеваний. Другие фотохимические окислители вызывают ряд острых болезненных явлений, включая раздражение глаз, носа и горла, дискомфорт в груди, кашель и головную боль.

Результаты прогноза мирового энергопотребления

И если столь значительное сокращение потребления угля является давно ожидаемым, то в отношении нефти подобные изменения пока трудно представимы. Для того чтобы оценить масштабы последствий сокращения доли нефти в мировом энергопотреблении, достаточно рассмотреть следующие факты: в прошлом году доходы стран ОПЕК от экспорта нефти составили около $200 млрд., России - $50 млрд., Мексики - $11 млрд. Что произойдет с экономикой стран, зависящих от экспорта нефти, можно только догадываться. На взгляд аналитиков реалистичность данных прогнозов не подвергается сомнению. Основной вопрос заключается в том, как скоро произойдут подобные изменения и как они повлияют на мировую экономику. В любом случае, уже сейчас становится очевидно, что эпоха черного золота близится к закату.


Будущее возобновляемых источников энергии


Наше будущее в значительной степени зависит от применения технологических инноваций. ВИЭ смогут в течение будущих десятилетий влиять на изменение общества в целом. Согласно прогнозам, в течение следующих десятилетий значение и доля возобновляемых источников энергии в общем процессе энергопроизводства будет возрастать. Эти технологии не только сокращают глобальную эмиссию СО2, но и придают необходимую гибкость процессу энергопроизводства, делая его менее зависимым от ограниченных запасов ископаемого топлива. По единому мнению экспертов в течение некоторого периода времени гидроэнергетика и биомасса будут доминировать над другими видами возобновляемых источников энергии. Однако, в ХХI веке первенство на энергорынке будет принадлежать ветроэнергетике и фотоэлектрике, которые сейчас активно развиваются. На современном этапе ветроэнергетика является самой быстрорастущей отраслью производства электроэнергии. В некоторых регионах уже сегодня ветроэнергетика конкурирует с традиционной энергетикой, основанной на использовании ископаемых видов топлива. В конце 2002 года установленная мощность ветростанций во всем мире превысила 30000 МВт. В то же время очевиден явный рост интереса во всем мире к фотоэлектрике, хотя ее сегодняшняя себестоимость в три-четыре раза выше себестоимости традиционной энергетики. Фотоэлектричество особенно привлекательно для удаленных областей, не имеющих подключения к общей энергосистеме. Передовая тонкоплёночная технология, применяемая для производства фотоэлектрических батарей, гораздо дешевле кристаллической кремниевой технологии и активно внедряется в крупномасштабное коммерческое производство.


Приложение 6

Передача электроэнергии

Линии электропередачи

От всех видов энергии электрическая выгодно отличается тем, что её мощные потоки можно практически мгновенно передавать на тысячекилометровые расстояния. «Руслами» энергетических рек служат линий электропередачи (ЛЭП) - основные звенья энергосистем.

В настоящее время сооружаются ЛЭП двух видов: воздушные, которые несут ток по проводам над поверхностью земли, и подземные, которые передают ток по силовым кабелям, проложенным, как правило, в траншеях под землёй.

ЛЭП состоят из опор - бетонных или металлических, к плечам которых прикрепляются гирлянды фарфоровых или стеклянных изоляторов. Между опорами протягиваются медные, алюминиевые или сталеалюминевые провода, которые подвешиваются к изоляторам. Опоры ЛЭП шагают через пустыни и тайгу, взбираются высоко в горы, пересекают реки и горные ущелья.

Изоляторами между проводами служит воздух. Поэтому, чем выше натяжение, тем большее расстояние должно быть между проводами. ЛЭП проходят и через поля, рядом с населёнными пунктами. Поэтому провода должны быть подвешены на безопасной для людей высоте. Свойства воздуха как изолятора зависят от климата и метеорологических условий. Строители ЛЭП должны учитывать силу господствующих ветров, перепады летних и зимних температур и многое другое. Вот почему строительство каждой новой ЛЭП требует серьёзной работы изыскателей наилучшей трассы, научных исследований, моделирования, сложнейших инженерных расчётов и ещё высокого мастерства строителей.

Одновременное создание мощных электрических станций и электрических сетей было предусмотрено ещё в плане ГОЭРЛО. При передаче электроэнергии по проводам на расстояние неизбежны потери энергии, ведь, проходя по проводам, электрический ток их нагревает. Поэтому передавать ток низкого напряжения, 127 - 220 В, каким он поступает в наши квартиры, на расстояние более 2 км невыгодно. Чтобы снизить потери в проводах, напряжение электрического тока, перед тем как подавать на линию, повышают на электрических повышающих подстанциях. С увеличением мощности электрических станций, расширением территорий, охваченных электрификацией, напряжение переменного тока на передающих линиях последовательно увеличивается до 220, 380, 500 и 750 кВ. Для объединения энергосистем Сибири, Северного Казахстана и Урала построена ЛЭП напряжением 1150 кВ. Подобных линий нет ни в одной стране мира: высота опор до 45 м (высота 15-этажного дома), расстояние между проводами каждой из трёх фаз - 23 м.

Однако провода, находящиеся под высоким напряжением, опасны для жизни, и вести их в дома, на фабрики и заводы нельзя. Вот почему, прежде чем передавать электроэнергию потребителю, ток высокого напряжения понижают на понижающих подстанциях.

Схема передачи переменного тока такова. Ток низкого напряжения, вырабатываемый генератором, подаётся на трансформатор повышающей подстанции, преобразуется в нём в ток высокого напряжения, далее по линии электропередачи поступает к месту потребления энергии, здесь преобразуется трансформатором в ток низкого напряжения, после чего поступает к потребителям.

Наша страна - родоначальник и другого типа линий электропередачи - линий постоянного тока. Передавать по ЛЭП постоянный ток выгоднее, чем переменный, так как если длина линии превышает 1,5-2 тыс. км, то потери электроэнергии при передаче постоянного тока будут меньше. Перед тем как ввести ток в дома потребителей, его снова преобразуют в переменный.

При очень высоком напряжении между проводами начинается коронный разряд, приводящий к потерям энергии. Допустимая амплитуда переменного напряжения должна быть такой, чтобы при заданной площади поперечного сечения провода потери энергии вследствие коронного разряда были незначительными.

Электрические станции ряда районов страны объединены высоковольтными линиями передач, образуя общую электрическую сеть, к которой присоединены потребители. Такое объединение, называемое энергосистемой, даёт возможность сгладить «пиковые» нагрузки потребления энергии в утренние и вечерние часы. Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям вне зависимости от места их расположения. Сейчас почти вся территория страны обеспечивается электроэнергией объединёнными энергетическими системами.

Потеря 1 % электроэнергии в сутки для нашей станы приносит убыток около половины миллиона рублей.

Трансформатор

Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что относительно легко можно изменять его силу. Аппараты, преобразующие переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, называются электрическими трансформаторами (от латинского слова «трансформо» - «преобразую»).

Трансформаторы находят широкое применение в промышленности и быту. Силовые электрические трансформаторы дают возможность передавать переменный ток по линиям электропередачи на большое расстояние с малыми потерями энергии. Для этого напряжение переменного тока, вырабатываемого генераторами электростанции, с помощью трансформаторов повышают до напряжения в несколько сотен тысяч вольт и посылают по линиям электропередачи в различных направлениях. В месте потребления энергии, на расстоянии многих километров от электростанции, это напряжение понижают трансформаторами.

Во время работы мощные трансформаторы сильно нагреваются. Чтобы уменьшить нагрев сердечника и обмоток, трансформаторы помещают в специальные баки с минеральным маслом. Электрический трансформатор, оборудованный такой системой охлаждения, имеет весьма внушительные размеры: его высота достигает нескольких метров, а масса составляет сотни тонн. Кроме таких трансформаторов существуют и трансформаторы-карлики, работающие в радиоприёмниках, телевизорах, магнитофонах, телефонных аппаратах. С помощью таких трансформаторов получают несколько напряжений, питающие разные цепи устройства, производят эстафетную передачу сигналов от одной электрической цепи в другую, от каскада к каскаду, разделяют электрические цепи.

Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Это достигается тем, что передача электроэнергии на большие расстояния ведётся под высоким напряжением. Дело в том, что при повышении напряжения ту же самую энергию можно передавать при меньшей силе тока, это ведёт за собой уменьшение нагревания проводов, а следовательно, и уменьшение потерь энергии. На практике при передаче энергии пользуются напряжением 110, 220, 380, 500, 750 и 1150 кВ. Чем длиннее линия электропередачи, тем более высокое напряжение используется в ней.

Генераторы переменного тока дают напряжение несколько киловольт. Перестройка генераторов на более высокие напряжения затруднительна - в этих случаях потребовалось бы особо высокое качество изоляции всех частей генератора, находящихся под током. Поэтому при передаче энергии на большие расстояния приходится повышать напряжение при помощи трансформаторов, устанавливаемых на повышающих подстанциях.

Трансформированное высокое напряжение передаётся по линиям электропередачи к месту потребления. Но потребителю не нужно высокое напряжение. Его необходимо понизить. Достигается это на понижающих подстанциях.

Понижающие подстанции подразделяются на районные, главные понижающие и местные подстанции. Районные принимают электроэнергию непосредственно от высоковольтных ЛЭП, понижают напряжение и передают её на главные понижающие подстанции, где напряжение понижается до 6,10 или 35 кВ. С главных подстанций электроэнергия подаётся на местные, где напряжение понижается до 500, 380, 220В и распределяется на промышленные предприятия и жилые дома.

Иногда за повышающей подстанцией располагается ещё подстанция преобразовательная, где переменный электрический ток преобразуется в ток постоянный. Здесь имеет место выпрямление тока. Постоянный ток передаётся по линиям электропередачи на большие расстояния. В конце линии на такой же подстанции он снова преобразуется (инвертируется) в ток переменный, который подаётся в главные понижающие подстанции. Для питания электрифицированного транспорта и промышленных установок постоянным током преобразовательные подстанции (на транспорте они называются тяговыми) строятся рядом с главными понижающими и местными подстанциями.


Приложение 7

Использование переменного тока

Потребление электроэнергии - форма наиболее быстрорастущего конечного энергоиспользования. Растущая значимость электроэнергии является следствием нескольких факторов, включающих быстрое внедрение электротехнологий и гибкое и надежное электроснабжение.

В то же время существует огромный потенциал повышения энергоэффективности в производстве и использовании электроэнергии, реализация которого стимулируется усилиями правительств и законами рынка. Чтобы определить основные направления повышения эффективности потребления электроэнергии, необходимо изучить удельные веса отдельных областей конечного использования и эффективность электротехнологических процессов. Но так как существуют сотни различных видов потребителей, выделяют, как правило, несколько основных, составляющих 60 -75% от общего потребления электроэнергии. Например, для ряда развитых стран, вклад шести конечных потребителей электроэнергии колеблется в пределах 65-71%.

Использование электроэнергии в промышленности приходится в основном на три категории потребителей: привод, технологические процессы (в большинстве тепловые) и освещение.

Потребление электроэнергии приводом (электродвигатели) варьирует в достаточно широком диапазоне в зависимости от типа двигателей (постоянного тока, синхронные или индукционные), их мощности (размеров) и применения.

Второй по величине потребитель, технологические процессы, обычно менее однороден, чем другие категории. Выделяют три основные подгруппы: электроэнергия, непосредственно генерирующая тепло; электрохимические процессы; электродуговые печи, используемые в основном в производстве чугуна и стали.

Основным потребителем электроэнергии остается промышленность, хотя ее удельный вес в общем полезном потреблении электроэнергии во всём мире значительно снижается. Электрическая энергия в промышленности применяется для приведения в действие различных механизмов и непосредственно в технологических процессах. В настоящее время коэффициент электрификации силового привода в промышленности составляет 80%. При этом около 1/3 электроэнергии расходуется непосредственно на технологические нужды.

В сельском хозяйстве электроэнергия применяется для обогрева теплиц и помещений для скота, освещения, автоматизации ручного труда на фермах.

Огромную роль электроэнергия играет в транспортном комплексе. Большое количество электроэнергии потребляет электрифицированный железнодорожный транспорт, что позволяет повышать пропускную способность дорог за счет увеличения скорости движения поездов, снижать себестоимость перевозок, повышать экономию топлива. Электрифицированный номинал железных дорог в России, составлял по протяженности 38% всех железных дорог страны и около 3% железных дорог мира, обеспечивает 63% грузооборота железных дорог России и 1/4 мирового грузооборота железнодорожного транспорта. В Америке и, особенно в странах Европы, эти показатели несколько выше.

Электроэнергия в быту является основной частью обеспечения комфортабельной жизни людей. Многие бытовые приборы (холодильники, телевизоры, стиральные машины, утюги и другие) были созданы благодаря развитию электротехнической промышленности.

В современном обществе широкое распространение получили ЭВМ. Компьютеры сейчас играют огромную роль как в производстве, так и в личной жизни каждого человека. Микропроцессоры выполняют целый ряд задач и процессов за считанные секунды, на выполнение которых человеку ушли бы годы. Кроме ЭВМ, немаловажную роль в производстве играет робототехника. Те работы, которые раньше выполнялись вручную, сейчас выполняются с помощью машин. Все эти машины в большинстве случаях являются потребителями электроэнергии.

Отсюда следует учесть, что использование электроэнергии в настоящее время – неотъемлемая часть народного хозяйства. Без электрической энергии сейчас бы просто невозможно было вести любую хозяйственную деятельность.






Просмотрено: 0%
Просмотрено: 0%
Скачать материал
Скачать материал "Методическая разработка урока по физике на тему "Производство, передача и использование переменного тока""

Методические разработки к Вашему уроку:

Получите новую специальность за 3 месяца

Корреспондент

Получите профессию

Методист-разработчик онлайн-курсов

за 6 месяцев

Пройти курс

Рабочие листы
к вашим урокам

Скачать

Скачать материал

Найдите материал к любому уроку, указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

6 625 838 материалов в базе

Скачать материал

Другие материалы

Урок по физике на тему "Основное уравнение молекулярно – кинетической теории газа. Идеальный газ". (10 класс)
  • Учебник: «Физика. Базовый и профильный уровни», Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
  • Тема: § 39. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
  • 19.10.2019
  • 1914
  • 31
«Физика. Базовый и профильный уровни», Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Презентация по физике на тему "Электрический ток в полупроводниках" (10 класс)
  • Учебник: «Физика. Базовый и профильный уровни», Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
  • Тема: § 79. Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников
  • 19.10.2019
  • 1541
  • 70
«Физика. Базовый и профильный уровни», Тихомирова С.А., Яворский Б.М.

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

  • Скачать материал
    • 19.10.2019 541
    • DOCX 269.5 кбайт
    • Рейтинг: 5 из 5
    • Оцените материал:
  • Настоящий материал опубликован пользователем Маркова Светлана Владимировна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт

    Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

    Удалить материал
  • Автор материала

    Маркова Светлана Владимировна
    Маркова Светлана Владимировна
    • На сайте: 5 лет и 1 месяц
    • Подписчики: 1
    • Всего просмотров: 67227
    • Всего материалов: 30

Ваша скидка на курсы

40%
Скидка для нового слушателя. Войдите на сайт, чтобы применить скидку к любому курсу
Курсы со скидкой

Курс профессиональной переподготовки

Секретарь-администратор

Секретарь-администратор (делопроизводитель)

500/1000 ч.

Подать заявку О курсе

Курс профессиональной переподготовки

Физика: теория и методика преподавания в профессиональном образовании

Преподаватель физики

300/600 ч.

от 7900 руб. от 3950 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 40 человек из 21 региона

Курс повышения квалификации

Особенности подготовки к сдаче ОГЭ по физике в условиях реализации ФГОС ООО

36 ч. — 180 ч.

от 1700 руб. от 850 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 76 человек из 33 регионов

Курс повышения квалификации

Информационные технологии в деятельности учителя физики

72/108 ч.

от 2200 руб. от 1100 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 119 человек из 46 регионов

Мини-курс

Методика образовательных игр с детьми раннего возраста

3 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе
  • Сейчас обучается 21 человек из 12 регионов

Мини-курс

Финансовый анализ

5 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе

Мини-курс

Фокусировка и лидерство: достижение успеха в условиях стресса и перемен

4 ч.

780 руб. 390 руб.
Подать заявку О курсе