Электричество окружает нас повсюду — питает наши мобильные телефоны, компьютеры, светильники, паяльники и кондиционеры. Но что оно собой представляет и как приходит в наши дома?
Электричество существует не только в наших домах, но и в природе, например, оно проявляется в виде молний во время грозы и передаче импульсов между нейронами внутри нашего тела. Но что же такое электричество? Это очень сложный вопрос, и по мере того, как вы начинаете копать глубже и задаете больше вопросов, то получаете все меньше уверенных ответов. Вместо фактов появляются лишь абстрактные представления о том, как электричество взаимодействует с нашим окружением.
Мы получаем электроэнергию, которая является вторичным источником энергии, от первичных источников энергии, таких как уголь, природный газ, нефть, атомная энергия и других. Многие города и поселки были построены рядом с водопадами (основным источником механической энергии), которые вращали водяные колеса и позволяли использовать энергию
До того, как производство электроэнергии началось чуть более 100 лет назад, дома освещались керосиновыми лампами, еда охлаждалась в холодильниках, а комнаты обогревались дровяными или угольными печами. В середине 1800-х годов жизнь каждого изменилась с изобретением электрической лампочки. До 1879 года электричество использовалось в дуговых лампах для наружного освещения. Изобретение лампочки позволило использовать электричество, чтобы обеспечить внутреннее освещение в домах без копоти и неприятного запаха.
Как используется трансформатор?
Чтобы решить проблему передачи электричества на большие расстояния, Джордж Вестингауз разработал устройство, называемое трансформатором. Трансформатор позволял эффективно передавать электричество на большие расстояния. Это позволило снабжать электроэнергией дома и предприятия, расположенные далеко от электрогенерирующей станции.
Несмотря на его огромное значение в нашей повседневной жизни, большинство из нас редко задумываются о том, какой была бы жизнь без электричества. И все же, как воздух и вода, мы склонны воспринимать электричество как нечто само собой разумеющееся. Каждый день мы используем электричество для выполнения многих функций — от освещения и отопления / охлаждения наших домов до питания телевизоров и компьютеров. Электричество — это контролируемая и удобная форма энергии, используемая для создания тепла, света и энергии.
Как вырабатывается электричество?
Электрогенератор — это устройство для преобразования механической энергии в электрическую. Его принцип работы основан на взаимосвязи между магнетизмом и электричеством: когда провод или любой другой электропроводящий материал движется поперек магнитного поля, в нем возникает электрический ток. Большие генераторы, используемые в электроэнергетике, имеют стационарный проводник.
Магнит, прикрепленный к концу вращающегося вала, расположен внутри неподвижного проводящего кольца, обернутого длинным непрерывным куском проволоки. Когда магнит вращается, он индуцирует небольшой электрический ток в каждой секции провода, рядом с которой он проходит. Каждая секция провода представляет собой небольшой отдельный электрический проводник. Все малые токи отдельных участков складываются в один ток значительной величины, который и выходит наружу.
Как турбины вырабатывают электроэнергию?
Электростанция использует турбину, двигатель, водяное колесо или другую подобную машину для приведения в действие электрогенератора или устройства, преобразующего механическую или химическую энергию в электричество. Паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины, водяные турбины и ветряные турбины являются наиболее распространенными методами выработки электроэнергии.
Большая часть электроэнергии в мире производится благодаря паровым турбинам. Турбина преобразует кинетическую энергию движущейся жидкости (жидкости или газа) в механическую энергию. Паровые турбины имеют ряд лопастей, установленных на валу, против которого подается пар. Пар вращает вал, соединенный с генератором. В паровой турбине, работающей на ископаемом топливе, топливо сжигается в печи для нагрева воды в котле и создания таким образом пара.
Уголь, нефть и природный газ сжигаются в больших печах для нагрева воды с образованием пара, который, в свою очередь, толкает лопасти турбины. Знаете ли вы, что уголь является крупнейшим первичным источником энергии, используемым для производства электроэнергии в России? В 2018 году на угольную энергетику в России приходилось порядка 63,5% всей выработанной электроэнергии — это примерно 692,7 млрд кВт·ч.
Природный газ, в дополнение к сжиганию для нагрева воды для пара, также может быть сожжен для получения горячих горючих газов, которые проходят непосредственно через турбину, вращая ее лопасти для выработки электроэнергии. Газовые турбины обычно используются, когда потребление электроэнергии пользуется большим спросом.
Нефть также может быть использована для производства пара для вращения турбины. Чаще всего в электрических установках, которые используют нефть для производства пара, в качестве топлива используется мазут.
В ядерной энергетике пар производится путем нагрева воды в процессе, называемом ядерным делением. На атомной электростанции реактор содержит активную зону с ядерным топливом, в первую очередь обогащенным ураном. Когда атомы уранового топлива бомбардируются нейтронами, они делятся (расщепляются), выделяя тепло и еще больше нейтронов.
В контролируемых условиях нейтроны могут поражать больше атомов урана в ходе цепной реакции. Таким образом, может происходить непрерывное деление топлива с выделением тепла. Тепло используется для превращения воды в пар, который, в свою очередь, вращает турбину, вырабатывающую электричество. В 2020 году 11 атомных электростанций России установили абсолютный рекорд, выработав 215,746 млрд кВт·ч электроэнергии или примерно 20% от совокупного объема выработки по всей стране.
По состоянию на 2018 год гидроэнергетика составляет 17-18% производства электроэнергии в России. Это процесс, в котором текущая вода используется для вращения турбины, подключенной к генератору. Существует два основных типа гидроэлектростанций, которые производят электроэнергию. В первой системе текущая вода накапливается в резервуарах, созданных с помощью плотин. Вода падает через трубу, называемую подводящим рукавом, и создает давление на лопасти турбины, которые приводят в действие генератор, создающий электроэнергию. Во системе второго типа давление на лопатки турбины оказывает сила речного течения, а не падающая вода.
Другие источники электричества
Геотермальная энергия поступает из тепловой энергии, погребенной под поверхностью Земли. В некоторых районах страны магма (расплавленная порода под земной корой) течет достаточно близко к поверхности земли, нагревая подземные воды до состояния пара, который может быть использован для приведения в движение паротурбинных установок. По состоянию на 2020 год, в России работают 4 геотермальные электростанции, вырабатывающие примерно 427 млн кВт·ч — это около 0,05% всей выработанной в стране электроэнергии.
Солнечная энергия получается из энергии солнца. Тем не менее, энергия Солнца не в круглосуточном доступе, и она широко рассеивается. Процессы, используемые для производства электроэнергии с использованием энергии Солнца, исторически были более дорогими, чем использование обычного ископаемого топлива. Фотоэлектрическое преобразование генерирует электроэнергию непосредственно из солнечного света в фотоэлектрическом элементе. Солнечные коллекторы используют лучистую энергию солнца для производства пара и привода турбин. Сегодня такие коллекторы в России существуют, однако чаще всего их используют в частных домах для нагрева воды.
Энергия ветра получается из преобразования энергии движения потоков воздуха в электричество. Энергия ветра, как и энергия Солнца, обычно является дорогостоящим источником электроэнергии. В России ее доля, как и всей альтернативной энергетики, довольно низка.
Биомасса (древесина, твердые коммунальные отходы (мусор) и сельскохозяйственные отходы, такие как кукурузные початки и пшеничная солома, также могут быть источниками электроэнергии. Они заменяют собой ископаемое топливо в котлах ТЭС. При сжигании древесины и отходов образуется пар, который используется для вращения турбин.
Электричество, вырабатываемое генератором, проходит по кабелям к трансформатору, который повышает его напряжение. Электричество можно перемещать на большие расстояния более эффективно, используя высокое напряжение. Линии электропередачи используются для передачи электроэнергии на подстанцию. Подстанции имеют трансформаторы, которые преобразуют высоковольтное электричество в низковольтное. От подстанции распределительные линии несут электричество в дома, офисы и заводы, где их получаем мы — конечные потребители.
Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.