Презентация (с видеофрагментом) по физике на тему: "Производство, передача и использование электрической энергии"

Литература:

1.     Мякишев, Г. Я. Физика 11 класс: учебн. для общеобразоват. учреждений с прил. на электрон. носителе: базовый и профил. уровни/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под. ред В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. – 20-е изд. – М.: Просвещение, 2011 – 399 с.

2.     Ольшанский, А. И. Основы энергосбережения: курс лекций /А. И. Ольшанский, В. И. Ольшанский, Н. В. Беляков. – Витебск: ВГТУ, 2007. - 223 с.

3.     Самойленко, П. И. Сборник задач по физике с решениями для техникумов./ П. И. Самойленко – М: ОНИКС 21 век. – 2013. – 256 с.

4.     Сычёв, Ю. Н. Физика 11 класс. Тесты: в 2 ч./ Ю. Н. Сычёв – Саратов: Лицей, 2012. – ч. 1. – 80 с.

5.     Ушаков В. Я. Основные проблемы энергетики и возможные способы их решения/ В. Я. Ушаков // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. — 2011. — Т. 319, № 4: Энергетика. — [С. 5-13].

Производство, передача и использование электрической энергии.

Электрическая энергия обладает неоспоримыми преимуществами перед всеми другими видами энергии. Её 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 (нагревание тел), энергию света и т. д.

Переменный ток в отличие от постоянного имеет то преимущество, что напряжение и силу тока можно в очень широких пределах преобразовывать (трансформировать) 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.

Электроэнергия — самая универсальная и удобная для использования форма энергии. Все больше и больше процессов, связанных с расходованием энергоресурсов, переводится на электроэнергию.

Производство электрической энергии.

Производится электроэнергия на больших и малых электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов. Существует несколько типов электростанций:  тепловые, гидроэлектрические и атомные (традиционные), а также ветровые, солнечные, геотермальные (нетрадиционные). Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов.

На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания. Наиболее экономичны крупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенно - ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны использует в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт • ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора. Паровые турбогенераторы весьма быстроходны: число оборотов ротора составляет несколько тысяч в минуту.

КПД тепловых двигателей увеличивается с повышением температуры нагревателя и соответственно начальной температуры рабочего тела (пара, газа). Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление — до 25 МПа. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

Превращения энергии показаны на схеме, приведенной на схеме:

На гидроэлектростанциях (ГЭС) для вращения роторов генераторов используется потенциальная энергия воды. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Мощность такой станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней воды (напор) и от массы воды, проходящей через турбину в каждую секунду (расход воды). Превращения энергии показаны на схеме, приведенной на рисунке 5.6.

Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.

Значительную роль в энергетике играют атомные электростанции (АЭС). В настоящее время АЭС в России дают около 10% электроэнергии.

Атомная электростанция отличается от ТЭС тем, что котел заменен ядерным реактором. Теплота ядерной реакции используется для получения пара.

Первичной энергией на АЭС является внутренняя ядерная энергия, которая при делении ядра выделяется в виде колоссальной кинетической энергии, которая, в свою очередь, превращается в тепловую. Установка, где идут эти превращения, называется реактором.

Через активную зону реактора проходит вещество теплоноситель, которое служит для отвода тепла (вода, инертные газы и т.д.). Теплоноситель уносит тепло в парогенератор, отдавая его воде. Образующийся водяной пар поступает в турбину. Регулирование мощности реактора производится с помощью специальных стержней. Они вводятся в активную зону и изменяют поток нейтронов, а значит, и интенсивность ядерной реакции.

Природное ядерное горючее атомной электрической станции – уран. Для биологической защиты от радиации используется слой бетона в несколько метров толщиной.

При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт•ч электроэнергии, а при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается 23 млн. кВт•ч электроэнергии.

НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКА

Сейчас на каждого жителя Земли приходится 2 кВт, а признанная норма качества – 10 кВт (в развитых странах). Развитие энергетики на невозобновляемых ресурсах ставит жесткий предел численности населения планеты. Однако уже через 75 лет население Земли может достигнуть 20 млрд. чел. Отсюда видно: уже сейчас надо думать о сокращении темпов прироста населения примерно вдвое, к чему цивилизация совсем не готова. Это еще один веский аргумент в пользу развития нетрадиционной энергетики.

Многие специалисты энергетики считают, что единственный способ преодоления кризиса – это масштабное использование возобновляемых источников энергии: солнечной, ветровой, океанической, или как их еще называют нетрадиционных.

В наши дни поворот к использованию энергии ветра, солнца, воды происходит на новом более высоком уровне развития науки и техники.

Использование электроэнергии. Главным потребителем электроэнергии является промышленность, на долю которой приходится около 70% производимой электроэнергии. Крупным потребителем является также транспорт. Все большее количество железнодорожных линий переводится на электрическую тягу. Почти все деревни и села получают электроэнергию от электростанций для производственных и бытовых нужд. О применении электроэнергии для освещения жилищ и в бытовых электроприборах знает каждый.

Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию. Почти все механизмы в промышленности приводятся в движение электрическими двигателями. Они удобны, компактны, допускают возможность автоматизации производства.

Около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется для технологических целей (электросварка, электрический нагрев и плавление металлов, электролиз и т. п.).

Передача электроэнергии.

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.

Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля — Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой:

где R — сопротивление линии, U — передаваемое напряжение, Р — мощность источника тока.

При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить сопротивление линии R практически весьма трудно. Поэтому приходится уменьшать силу тока I.

Для уменьшения передаваемой мощности нужно повысить передаваемое напряжение в линии передачи.

Поэтому на крупных электростанциях устанавливают повышающие трансформаторы. Трансформатор увеличивает напряжение в линии во столько же раз, во сколько раз уменьшает силу тока.

Чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение.

Для непосредственного использования электроэнергии в двигателях электропривода станков, в осветительной сети и для других целей напряжение на концах линии нужно понизить.

Понижение напряжения и соответственно увеличение силы тока осуществляются в несколько этапов. На каждом этапе напряжение становится все меньше, а территория, охватываемая электрической сетью, — все шире.

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

Электрические станции ряда районов страны объединены высоковольтными линиями электропередачи, образуя общую электрическую сеть, к которой подключены потребители. Такое объединение, называемое энергосистемой.

Энергосистема обеспечивает бесперебойность подачи энергии потребителям вне зависимости от места их расположения. Сейчас почти вся территория нашей страны обеспечивается электроэнергией объединенными энергетическими системами.

Проблемы электроэнергетики:

1.                     Нерациональное использование природных ресурсов

2.                     Загрязнение окружающей среды

3. Геополитические проблемы

• В чем, по вашему мнению, заключается последняя проблема?

• Как вы думаете, какими способами можно решить эти проблемы?

Тест.

Каков стандарт бытового напряжения в России?

• 220 В (верный ответ)

• 110 В

• 240 В

• 230 В

• 127 В

2. Для снижения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния…

• повышают сопротивление проводов

• понижают напряжение

• повышают напряжение (верный ответ)

• повышают силу тока

3. С целью обеспечения потребителей соответствующим напряжением, в конце линии электропередачи устанавливают…

•  повышающие трансформаторы

•  понижающие трансформаторы (верный ответ)

•  и понижающие, и повышающие трансформаторы

•  понижающие генераторы

Закон Джоуля-Ленца имеет вид

•   Q=URΔt

•   Q=U²RΔt

•  Q=I²RΔt (Верный ответ)

•  Q=IRΔt

5. Потери энергии в проводах линии электропередачи увеличились в 9 раз. Это возможно, если сила тока в проводах…

•  уменьшилась в 3 раза

•  увеличилась в 9 раз

•  уменьшилась в 9 раз

•  увеличилась в 3 раза (верный ответ)

6. На крупных электростанциях сразу после генератора установлен…

•  понижающий трансформатор

•  повышающий трансформатор (верный ответ)

•  понижающий и повышающий трансформаторы

•  повышающий генератор

Задачи.

1.  Первичная обмотка понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации 10 включена в сеть переменного тока с напряжением 120 В. Сопротивление вторичной обмотки 1,2 Ом, ток в ней 5 А. Найти сопротивление нагрузки трансформатора и напряжение на зажимах вторичной обмотки.

2. Во сколько раз уменьшатся тепловые потери в линии электропередачи, если входное напряжение повышающего трансформатора 11 кВ, а выходное - 110 кВ?

Контрольные вопросы.

• Какие типы электростанций принято называть традиционными?

Тепловые электростанции;

Атомные электростанции;

Гидроэлектростанции

• Назовите проблемы связанные с электроэнергетикой?

Использование природных ресурсов

Загрязнение окружающей среды

Геополитические проблемы

• Преимущества электрической энергии по сравнению с другими видами энергии?

можно передавать на огромные расстояния;

малые потери при передаче;

удобное распределение между потребителями.

легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю, энергию света и т. д.

• Каким способом уменьшают потери энергии при передаче её по проводам?

Потери напряжения при передаче электроэнергии уменьшают, повышая напряжение

• 1 слайд

  «Производство, передача и использование электрической энергии»
  Подготовила:
  студентка 2 курса гр. 120942
  факультета МФиИ
  Барышникова С. В.
  
  

• 2 слайд

  Оглавление
  Электрическая энергия
  Типы электростанций
  Производство электрической энергии (ТЭС, ГЭС, АЭС)
  Использование электроэнергии
  Передача электрической энергии
  Проблемы электроэнергетики
  Тест
  Задачи
  Контрольные вопросы
  

• 3 слайд

  Электрическая энергия
  Электроэнергия — энергия, передаваемая электрическим током.
  Преимущества электрической энергии:
  можно передавать на огромные расстояния;
  малые потери при передаче;
  удобное распределение между потребителями.
  легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю, энергию света и т. д.
  
  

• 4 слайд

  Типы электростанций
  Традиционные:
  Тепловые электростанции;
  Атомные электростанции;
  Гидроэлектростанции.
  Нетрадиционные
  Ветроэлектростанции;
  Солнечные электростанции;
  Геотермальные электростанции.
  

• 5 слайд

  Производство электроэнергии
  Тепловые электростанции
  Линия передачи
  Внутренняя энергия проводов
  Энергия топлива
  Механическая
  (кинетическая)
  энергия пара
  Внутренняя
  энергия пара
  Механическая
  (кинетическая)
  энергия турбины
  Электрическая энергия
  Механическая энергия двигателей
  
  
  Внутренняя энергия нагревательных приборов
  
  
  Внутренняя
  энергия аккумуляторов
  ТЭС
  Потребитель
  

• 6 слайд

  Производство электроэнергии
  Гидроэлектростанции
  Линия передачи
  Внутренняя энергия проводов
  Механическая
  (потенциальная)
  энергия воды
  Механическая
  (кинетическая)
  энергия турбины
  Электрическая энергия
  Механическая энергия двигателей
  
  
  Внутренняя энергия нагревательных приборов
  
  
  Внутренняя
  энергия аккумуляторов
  ГЭС
  Потребитель
  Механическая
  (кинетическая)
  энергия воды
  

• 7 слайд

  Производство электроэнергии
  Атомные электростанции
  

• 8 слайд

  Использование электроэнергии
  Потребители электроэнергии:
  Промышленность;
  Транспорт (в частности, железные дороги);
  Бытовые нужды;
  Наука.
  

• 9 слайд

  Передача электрической энергии
  

• 10 слайд

  Проблемы электроэнергетики
  Нерациональное использование природных ресурсов;
  Загрязнение окружающей среды;
  3. Геополитические проблемы.
  Видеофрагмент
  В чем, по вашему мнению, заключается последняя проблема?
  
  
  Как вы думаете, какими способами можно решить эти проблемы?
  
  

• 11 слайд

  Тест
  1. Каков стандарт бытового напряжения в России?
  220 В
  110 В
  240 В
  230 В
  127 В
  2. Для снижения потерь при передаче электроэнергии на большие расстояния…
  повышают сопротивление проводов
  понижают напряжение
  повышают напряжение
  повышают силу тока
  3. С целью обеспечения потребителей соответствующим напряжением, в конце линии электропередачи устанавливают…
  повышающие трансформаторы
  понижающие трансформаторы
  и понижающие, и повышающие трансформаторы
  понижающие генераторы
  
  

• 12 слайд

  Тест
  4. Закон Джоуля-Ленца имеет вид
  
  
  
  
  5. Потери энергии в проводах линии электропередачи увеличились в 9 раз. Это возможно, если сила тока в проводах…
  уменьшилась в 3 раза
  увеличилась в 9 раз
  уменьшилась в 9 раз
  увеличилась в 3 раза
  6. На крупных электростанциях сразу после генератора установлен…
  понижающий трансформатор
  повышающий трансформатор
  понижающий и повышающий трансформаторы
  повышающий генератор
  
  

• 13 слайд

  Первичная обмотка понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации 10 включена в сеть переменного тока с напряжением 120 В. Сопротивление вторичной обмотки 1,2 Ом, ток в ней 5 А. Найти сопротивление нагрузки трансформатора и напряжение на зажимах вторичной обмотки.
  
  

• 14 слайд

  Во сколько раз уменьшатся тепловые потери в линии электропередачи, если входное напряжение повышающего трансформатора 11 кВ, а выходное - 110 кВ?
  
  

• 15 слайд

  Контрольные вопросы
  Какие типы электростанций принято называть традиционными?
  Тепловые электростанции;
  Атомные электростанции;
  Гидроэлектростанции
  Назовите проблемы, связанные с электроэнергетикой?
  Использование природных ресурсов
  Загрязнение окружающей среды
  Геополитические проблемы
  
  

• 16 слайд

  Контрольные вопросы
  Преимущества электрической энергии по сравнению с другими видами энергии?
  можно передавать на огромные расстояния;
  малые потери при передаче;
  удобное распределение между потребителями.
  легко превратить в любые другие формы: механическую, внутреннюю, энергию света и т. д.
  Каким способом уменьшают потери энергии при передаче её по проводам?
  Потери напряжения при передаче электроэнергии уменьшают, повышая напряжение.