Урок-семинар Производство и передача электрической энергии

Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 39
Интегрированный урок
«Производство, передача электрической энергии».
Воронеж 2010Интегрированный урок
Тема: Производство, передача электрической энергии.
«Коммунизм – это есть советская власть плюс электрификация всей страны»
В.И.Ленин
Обучающие цели урока:
Усвоить следующие элементы неполного опыта учащихся в рамках отдельного урока:
физические основы производства электрической энергии;
понятие о необходимости передачи электрической энергии на большие расстояния;
ознакомление учащихся с решением научно-технических и экономических проблем при осуществлении передачи;
схемы передачи энергии, распространенные в современной технике.
Развивающие цели урока:
формирование научного мировоззрения на основе знаний о производстве, передаче электроэнергии;
комплексное решение проблем на основе знаний математики, физики и информатики;
развитие аналитико-синтетического и образного мышления учащихся, побуждение учащихся к осмыслению и нахождению причинно-следственных связей.
Воспитательные цели урока:
развитие эстетического восприятия материала, используя в презентации оригинальный дизайн и эффекты анимации;
воспитание культуры восприятия теоретического материала с помощью компьютера и приборов для показа получения и передачи
электрической энергии;
воспитание патриотизма, любви к своей Родине на примере деятельности ученых-электротехников Яблочкова, Доливо-Добровольского.
Оборудование:
Ноутбук, мультимедийный проектор, письменные и чертежные принадлежности, модель генератора переменного тока, электрическая лампочка на подставке, соединительные провода, два изолирующих штатива на подставке, трансформатор понижающий на панели, трансформатор повышающий на панели.
План - конспект урока
Организационный момент
II. Актуализация опорных знаний.
Учитель: Вопросы для работы в парах:
Какие преимущества электрической энергии вы знаете?
Что нужно для получения электрической энергии?
Какие вы знаете генераторы электрического тока?
Назовите основные части генератора.
Где производят электрическую энергию?
Учащиеся: Ответы после работы в парах
1. Преимущества электрической энергии:
можно передавать по проводам
можно трансформировать (∆ u, ∆ i )
легко превращается в другие виды энергии
2. источник тока (генераторы), рубильники (выключатели), замкнутая цепь, потребители.
3 Генераторы электрического тока
Генераторы аккумуляторы (химическая энергия)
электрическая энергия
солнечная батарея (световая энергия) гидрогенератор (механическая энергия) турбогенератор (атомная и внутренняя энергия) МГД-генератор (энергия магнитного поля) 4(а). Простейшая модель генератора (рассказывают и показывают учащиеся)

Действие генератора основано на явлении электромагнитной индукции (лампочка горит)
Основные части генератора на электростанциях
5. на электростанциях.
Учитель: В зависимости от вида преобразуемой энергии электростанции подразделяются на: тепловые, гидравлические, атомные и другие. Общее у всех электростанций – генераторы промышленные.
Производство электроэнергии
ГЭС
ТЭС
АЭС
Ветроэнергетика
Приливная энергетика
Солнечная энергетика

Сначала мы рассмотрим получение электрической энергии на тепловых электростанциях (видеоролик).

Учитель: Теперь послушаем группу исследователей о производстве электроэнергии на тепловых электростанциях.
Идет показ слайдов параллельно с рассказом.
Производство электроэнергии на ТЭС.
Электроэнергетика занимается выработкой электроэнергии и её передачей по линиям электропередач (ЛЭП).
Группа электростанций разных типов объединены ЛЭП высокого напряжения в энергосистему. Большая часть электростанций объединены в Единую Энергосистему России с целью передачи электроэнергии энергоносителям.
Вырабатывается электроэнергия на различных типах электростанций. Ведущими из них являются тепловые — ТЭС, которые используют энергию сжигаемого минерального топлива.
Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) используются для производства тепла с одновременным производством электроэнергии. Радиус их действия — около 20 км, поэтому они строятся близко к потребителям (в крупных городах).
Производство электроэнергии на станциях разного типа.

Схема ТЭС.

Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. 1квт.ч электроэнергии затрачивается несколько сот грамм 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 турбо генераторы очень быстроходны несколько тысяч оборотов в минуту. Из курса 10 класса нам известно что КПД тепловых двигателей увеличивается с ростом начальной температуры.
Превращение энергии при производстве, передаче и использовании электрической энергии.

ТЭС.
Работают на угле, газе, мазуте, торфе, поэтому их можно строить в разных районах страны. ТЭС строят быстро, и обходится строительство дешевле, чем строительство АЭС и ГЭС. Самая крупная ТЭС России – Сургутская.
Кемеровская ТЭС 1939г.(мощность составляет 850 Мвт)
Омская ТЭС 1954г.(мощность составляет 375 Мвт)
Санкт-Петербурская ТЭС
1957г.(мощность составляет 330 Мвт)
Назаровская ТЭС 1961г.(мощность электростанции составляет 1400 МВт)
Костромская ТЭС 1969г.(мощность электростанции составляет 3 600 МВт)
Рефтинская ТЭС 1970г.(мощность электростанции составляет 3800 МВт)
Архангельская ТЭС 1970г.(мощность составляет 450 Мвт)
Самаровская ТЭС 1972г.(мощность составляет 440 Мвт)
Сургутская ТЭС 1988г.(мощность составляет 4800 МВт)
Московская ТЭС 1989г.(мощность составляет 1330 МВт)
Свердловская ТЭС 1990г.(мощность составляет 2100 Мвт
Карта электростанций.

Преимущества ТЭС
1. В относительно свободном территориальном размещении, связанном с широким распространением топливных ресурсов;
2. В способности (в отличие от ГЭС) вырабатывать энергию без сезонных колебаний мощности;
3. В том, что площади отчуждения и вывода из хозяйственного оборота земли под сооружение и эксплуатацию ТЭС, как правило, значительно меньше, чем это необходимо для АЭС ;
4. ТЭС, в связи с массовым освоением технологий их строительства, сооружаются гораздо быстрее, чем ГЭС или АЭС, а их стоимость на единицу установленной мощности значительно ниже по сравнению с АЭС и ГЭС.
Недостатки ТЭС
1. Работают на невозобновляемых ресурсах.
2. Дают много отходов (самые чистые ТЭС на газе).
З. Режим работы меняется медленно (для разогрева котла необходимо 2-З суток).
4. Энергия дорогая т. к. для эксплуатации станции, добычи и транспортировки топлива требуется много людей (затраты на зарплату).
Нетрадиционные виды электростанций
На Кольском полуострове работает Кислогубская приливная электростанция — ПЭС, использующая неисчерпаемую энергию приливов, а на Камчатке две (Паужетская и Мутновская ) геотермальные ГеоТЭС — использующие подземное тепло.
Выводы
1. На тепловых электростанциях вырабатывается около 67% электроэнергии, производимой на нашей планете. Это обусловлено наличием органического топлива почти во всех районах нашей планеты.
2. Возможностью транспорта органического топлива с места добычи на электростанцию, размещаемую близ потребителей энергии.
3. Техническим прогрессом на тепловых электростанциях, обеспечивающим сооружение ТЭС большой мощностью.
4. Возможностью использования отработавшего тепла рабочего тела и отпуска потребителям, кроме электрической, также и тепловой энергии (с паром или горячей водой)
ВОГРЭС.С 1930 года в левобережной части города строилась крупная электростанция - ВОГРЭС.

Сообщение газеты "коммуна" о пробном пуске ВОГРЭС.
21 сентября 1933 г."ВОГРЭС одержал новую блестящую победу. 20 сентября успешно произведено первое опробование под нагрузкой турбогенератора ВОГРЭС мощностью 24000 кВт. Пройден новый этап в борьбе за пуск электростанции.19 сентября на рабочем ходу турбогенератора была начата проверка релейной защиты генератора. Результаты этой проверки оказались удовлетворительными. Все эти испытания также прошли вполне удовлетворительно".
С июля 1942го по февраль 1943 года Воронежская область была ареной ожесточенны боев с немецко-фашистскими захватчиками. Линия фронта, проходившая по течению рек Дона и Воронежа, разделяла область на две части, вплотную приближаясь, Электростанция, была переведена на казарменное положение, значительно ужесточен технический надзор к Воронежу.

26 марта 1943 года Государственный Комитет Обороны принял решение о полном восстановлении ВОГРЭС. На 31 декабря 1943 года был назначен пробный пуск возрожденной ВОГРЭС. Это был день, которого ждали с большим нетерпением. Турбина проработала на холостом ходу несколько часов и была остановлена для устранения мелких неполадок. Так произошло второе рождение ВОГРЭС.

В 1959 году Воронежская ГРЭС была переведена на выработку тепловой энергии и преобразована в Воронежскую ТЭЦ-1. Так выглядит станция сегодня.

Учитель: Кроме тепловых электростанций электроэнергия вырабатывается на гидроэлектростанциях. Сейчас мы рассмотрим получение электрической энергии на гидроэлектростанциях (видеоролик).

Теперь мы послушаем сообщения учащихся исследователей о производстве электроэнергии на гидроэлектростанциях .
Идет показ слайдов параллельно с рассказом.
Гидроэлектростанция (ГЭС)
1. Около 19% электроэнергии во всем мире вырабатывают ГЭС. Они преобразуют кинетическую энергию падающей воды в механическую энергию вращения турбины, а турбина приводит во вращение электромашинный генератор тока.
2. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки.
Принцип работы ГЭС
Плотина создает напор воды в водохранилище, обеспечивающем постоянный подвод энергии. Вода истекает через водозабор, уровнем которого определяется скорость течения. Поток воды, вращая турбину, приводит во вращение электрогенератор. По высоковольтным ЛЭП электроэнергия передается на распределительные подстанции.
Схема ГЭС

ГЭС

Типы ГЭС
Гидроэлектрические станции (ГЭС)
Плотинные гидроэлектростанции
Русловые гидроэлектростанции
Приплотинные гидроэлектростанции
Деривационные гидроэлектростанции
Гидроаккумулирующие электростанции
Приливные электростанции
Волновые электростанции и на морских течениях
Крупнейшие гидроэлектростанции России
Наименование Мощность,ГВт Среднегодоваявыработка, млрд. кВт·ч География
Красноярская ГЭС 6,00 20,40 р. Енисей,
г.Дивногорск
Братская ГЭС 4,50 22,60 р.Ангара,г.Братск
Усть-Илимская ГЭС 4,32 21,70 р. Ангара, г. Усть-Илимск
Богучанская ГЭС 3,00 17,60 р. Ангара, г. Кодинск
Карта России

Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)
Гидроаккумулирующие электростанции
используется для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки.
В часы малых нагрузок ГАЭС, потребляя электроэнергию, перекачивает воду из низового водоема в верховой, а в часы повышенных нагрузок в энергосистеме использует запасенную воду для выработки пиковой энергии.
Русловая гидроэлектростанция (РусГЭС)
Русловая гидроэлектростанция (РусГЭС) относится к бесплотинным гидроэлектростанциям, которые размещают на равнинных многоводных реках, в узких сжатых долинах, на горных реках, а также в быстрых течениях морей и океанов.
Деривационные гидроэлектростанции.
Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки.Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Вода подводится непосредственно к зданию ГЭС.

Волновые электростанции
Волновые электростанции
Для производства электроэнергии используются две основные характеристики волн: кинетической энергия, и энергии поверхностного качения. Именно эти факторы и пытаются использовать при строительстве волновых электростанций.
Саяно-Шушенская ГЭС
Мощность- 6,4 ГВт
Среднегодовая выработка электроэнергии- 23,5 млрд.кВтч.
География- р. Енисей, г. Саяногорск
Схема работы гидроэлектростанции

Саяно – Шушенская ГЭС (2009)
17 августа 2009 года на станции произошла авария на гидроагрегате № 2 с его разрушением и поступлением большого количества воды в помещение машинного зала. Также получили сильные повреждения агрегаты № 7 и 9, здание машинного зала частично обрушилось, его конструкции завалили агрегаты № 3, 4 и 5. В результате аварии погибло 75 человек. По оценкам главы МЧС России Сергея Шойгу, восстановление агрегатов Саяно-Шушенской ГЭС после произошедшей 17 августа 2009 года аварии может занять годы. По мнению Василия Зубакина, исполняющего обязанности генерального директора РусГидро, на полное восстановление Саяно-Шушенской ГЭС может понадобиться порядка трёх лет и 10 млрд. рублей, сроки были установлены согласно срокам изготовления оборудования.
Саяно - Шушенская ГЭС.
Саяно - Шушенская ГЭС Восстанавливается быстрыми темпами. Два гидроагрегата будут скоро запущены на холостом ходу. Восемь агрегатов будут поставлены новые. Саяно - Шушенская ГЭС была и останется «жемчужиной» России.
Вести. 6. 12. 2009 год.
После 1991г. не построено ни одной тепловой и гидравлической электростанции
3. Передача электроэнергии.
Учитель: электроэнергию получили, теперь проблема - как передать ее? Над этой проблемой работали многие физики. Это исторически важный факт. Как это происходило нам расскажут о достоинствах переменного тока исследователи- историки.
Учащиеся: Достоинства переменного тока были оценены не сразу. Внедрение переменного тока в практику началось с работ русского электротехника П.Н.Яблочкова, который в 1876г. применил его для питания «электрических свечей», изобретенных им электрических источников света.
-749301270Переменный ток подходил для этого лучше всего, чем постоянный, так как мог обеспечить равномерное выгорание обоих угольных электродов этих «свечей».
454787060960Яблочков также был первым, кто применил в цепи переменного тока конденсатор.
-18129251493520Борьба между сторонниками постоянного переменного тока продолжалась до 1891года, когда на Всемирной электротехнической выставке во Франкфурт-на-Майне М.О. Доливо-Добровольский, используя переменный ток, продемонстрировал успешную передачу электроэнергии на расстояние 175км. После этой, получившей высокую оценку комиссии, возглавляемой Г.Гельмгольцем, преимущества переменного тока для передачи и распределения электрической энергии стали очевидны.
Учитель: Мы узнали о достоинствах переменного тока. Однако возникла проблема: при передаче энергии от источника (электростанции) к потребителю (городу, заводу и т.д.) провода линий нагреваются, из-за этого часть энергии теряется. Что нужно для того, чтобы минимально потерять энергию? Этой работой занималась группа проектировщиков-инженеров. Они нам посчитают потери тепла.
Группа проектировщиков-инженеров:
Тепловые потери можно определить по закону Джоуля-Ленца: (1) где Iд -действующее значение силы тока в линии. 1 слайд
2.Сопротивление проводника можно посчитать по формуле
, где R- сопротивление линии, ℓ - длина проводов, Ѕ - площадь их поперечного сечения.
3. Уменьшить тепловые потери можно, уменьшив сопротивление
проводника, для чего:
изменить материал проводника,
уменьшить длину,
увеличить площадь поперечного сечения проводника.
4.
изменять материал проводника дорого,
длина проводника фиксированная,
нужно увеличивать площадь поперечного сечения, чтобы уменьшить сопротивление проводника.
5.Выразив силу тока через передаваемую мощность:

(2)
И подставив полученное значение в (1), найдем: .
6. Отсюда видно, что для уменьшения тепловых потерь электроэнергию следует передавать при повышенном напряжении в линии передачи и как можно меньшем сопротивлении самой линии.
Уменьшение сопротивления, однако, требует увеличения сечения проводов и, следовательно, их утяжеления.
Поэтому наиболее эффективным способом уменьшения потерь является повышение напряжения.
Это, конечно, требует дополнительных затрат на улучшение изоляции, однако связанные с этим затраты существенно меньше тех, к которым может привести утяжеление проводов.
Напряжение в линии передачи ограничивается возможностью надежной изоляции и стеканием заряда с проводов в атмосферу (коронным разрядом). Обычно это напряжение составляет сотни киловольт.
Так как столь высокие напряжения не могут вырабатываться генераторами тока (у которых оно не превышает 20кВ) и не могут предлагаться потребителю, то необходимым элементом линии передачи становятся трансформаторы-аппараты, предназначенные для повышения и понижения переменного напряжения при неизменной частоте тока.
Учитель: Мы уже знаем, что напряжение трансформируется с помощью трансформатора и затем передается на большие расстояния. Эта же группа расскажет нам об устройстве трансформатора и о передаче электроэнергии на большие расстояния на модели.
Устройство и схема трансформатора

Две катушки с различным числом витков, сердечник из листов трансформаторной стали, изолированных друг от друга, клеммы.
Модель передачи электроэнергии. (учащиеся инженеры)

Учитель: Для того чтобы построить ЛЭП, нужно высокое напряжение. А какое? Какие будут потери при передаче? Это надо уметь рассчитывать. Следующая группа инженеров-исследователей расскажут нам о результатах решения задачи – проекта-исследования.
Задача: От электростанции к потребителю передается электрическая энергия мощностью 50 кВт.
Сравните потери напряжения и мощности в линии передачи, если ее осуществить под напряжением 500 и 2000В. Каков кпд линии передачи при этих напряжениях? Каким путем можно снизить потерю электроэнергии при передаче и как это осуществить? Сопротивление линии 4Ом.

Задание: Найди ошибку в задаче.

Вывод (Меньшие потери и высокий кпд передачи при высоком напряжении)
Учитель: Электроэнергию передают на большие расстояния, используя и переменный и постоянный ток. И у того и у другого есть свои преимущества и свои недостатки. О них нам расскажет следующая группа исследователей.
Показ слайдов параллельно с рассказом
ЛЭП переменного тока
Недостатки линий переменного тока.
ЛЭП постоянного тока.
Передача электроэнергии на большие расстояния
ЛЭП переменного тока
Генератор-11кВПовышающий трансформатор-110кВконденсаторыЛЭП ~ тока 110 кВПонижающий трансформатор-35кВПонижающий трансформатор-6кВПонижающий трансформатор-220ВПотребители
Недостатки ЛЭП: наличие индуктивного сопротивления линии, которое связано с явлением электромагнитной индукции.
Индуктивное сопротивление:
ухудшает передачу электроэнергии в линии, так как приводят к уменьшению напряжения на пути от источника к потребителю.
вызывает сдвиг по фазе между колебаниями тока и напряжением.
Для уменьшения индуктивного сопротивления применяют различные методы:
например, включение в линию батареи конденсаторов.
расчленение одного провода на несколько, что приводит к уменьшению индуктивного сопротивления, уменьшения потерь на коронный разряд при высоких напряжениях(500-750кВ)

Электроэнергия может передаваться и по линиям электропередач постоянного тока
генераторПовышающие трансформаторывыпрямительинверторыПонижающие трансформаторыпотребителиЛЭП постоянного тока
ЛЭП постоянного тока обладает преимуществами по сравнению с линиями переменного тока:
При прохождении переменного тока нет индуктивного сопротивления.
Меняется металлоемкость проводов (используется два провода вместо трех в линиях трехфазного тока; меньше потерь на коронный разряд, отсюда и меньше радиопомех
использование постоянного тока в линиях электропередач позволяет необычайно повысить устойчивость энергосистем, которая в случае переменного тока требует строгой синхронности, постоянства частоты всех генераторов, входящих в общую систему. Для постоянного тока такой проблемы нет
Главный путь уменьшения потерь мощности в проводах ЛЭП - это повышение напряжения в линии передачи. Причем, чем длиннее линия электропередачи, тем выгоднее использовать более высокое напряжение.
Поэтому при передаче энергии от мощных электростанций электрический ток по шинам поступает на трансформаторные повышающие подстанции. Они состоят из силовых трансформаторов, После повышения напряжения на подстанции до 35,110,220,500,750кВ энергия направляется в район потребителя на понижающие подстанции, где напряжение понижается до 6-10кВ.
Высоковольтные линии электропередачи(ЛЭП)-это в основном воздушные линии. Их делают из голых алюминиевых, сталеалюминевых или медных проводов, укрепленных на гирляндах изоляторов, которые подвешиваются на металлических и железобетонных опорах.
Расстояние между проводами с таким расчетом, чтобы была исключена возможность пробоя воздушного промежутка между проводами при раскачивании их ветром. По вершинам опор прокладываются стальные оцинкованные тросы. Они предназначены для предохранения линии от атмосферного электричества. Трос, расположенный над проводами, воспринимает на себя атмосферные электрические разряды и отводит электрические заряды в землю.
С понижающих подстанций по сети с напряжение 6-10кВ энергия частично направляется к высоковольтным потребителям, частично на понижающие подстанции, где напряжение понижается до 220В -380В, далее по сети с напряжением 220В и 380В оно подводится к потребителям.
Энергосистемы
Электрические станции ряда районов страны объединены высоковольтными линиями передач, образуя общую энергетическую сеть, к которой присоединены потребители.
Такое объединение, называемое энергосистемой, дает 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 все территории России обеспечиваются электроэнергией объединенными энергетическими системами.
Учитель: Любой вопрос прикладного характера требует применения.
Использование электрической энергии мы рассмотрим на следующем уроке.
Задание на дом.
учебник Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев. Физика-11, § 39,40 вопросы после § 39 и 40 (уровень А) Ответы на вопросы
2) А.П. Рымкевич «Сборник задач» № 989 (979) (Б), № 990 (980) (Б)
План семинара
Использование электроэнергии в промышленности.
Использование электроэнергии на транспорте.
Использование электроэнергии в сельском хозяйстве.
Энергетика и охрана окружающей среды.