Переменный ток.Производство, передача и потребление электроэнергии.
методическая разработка по физике (11 класс) по теме

Обобщающий урок в 11 классе по теме:

«Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии»

Цели урока:

а) обучающие: повторить, обобщить, углубить знания по данной теме,   показать значимость этих знаний в повседневной жизни,

б) развивающие: показать роль физического эксперимента и наблюдений в  объяснении различных электрических явлений; формировать научное мировоззрение.

в) воспитательные: развить умение наблюдать, сравнивать и сопоставлять       изучаемые явления, выделять общие признаки; воспитывать внимание учащихся, наблюдательность, интерес к изучению физики. 

Тип урока - комбинированный.

                                                         План урока.

1.Организация класса.(1 мин)

2.Актуализация теоретических знаний.(10 мин)

А) Повторение основных определений, физ.терминов;

Б) Повторение формул, уравнений, графиков переменного тока.

3. Решение задач по ЕГЭ.(7 мин)

4. Практическая часть.(10 мин)

(Объяснение и демонстрация принципа работы приборов).

 5.Сообщения учащихся.(5 мин)

 6. Альтернативные  источники энергии (5мин)

7.Подведение итогов.(2 мин)

Оборудование:  компьютер, экран, проектор, модель трансформатора, гальванометр, катушка с сердечником, модель колебательного контура, динамо-машина, лампочка, соединительные провода, полосовой магнит.

Эпиграф к уроку на доске:

Как наша прожила б планета,
Как люди жили бы на ней
Без теплоты, магнита, света
                          И электрических лучей ?    А. Мицкевич.

                                                       Ход урока: 
1. Организация класса.

Приветствие. Обратить внимание учащихся на готовность к уроку (ручки, карандаши, линейки, тетради и т.д.). Объявление темы и целей урока (слайд1-2)

2. Актуализация теоретических знаний.

А) Вопросы: - Что такое электрический ток? (сл. 3).

                    Видео ( Эл. ток в проводнике)-1мин

                   -Что такое переменный ток?  (сл.4-5)

                   -Основные потребители эл.энергии. (сл. 6) 

                   -Преимущества эл.энергии перед другими видами энергии  (сл. 7) 

                   -Каким образом можно получить переменный ток? (сл. 8)

                   -Какое явление лежит в основе работы индукционного генератора? (сл. 9)

                   -Кто и когда открыл явление ЭМИ? (сл. 10) 

                    Видео (Получение переменного    индукционного тока)-1мин20 сек.

Б) - Графическое представление переменного тока (сл. 11)

     -Формулы переменного тока (сл. 12)

     -Уравнения переменного тока (сл. 13)

3. Решение задач по ЕГЭ ( сл.14-18)

  Учащиеся самостоятельно решают 5 задач в форме ЕГЭ, часть А. Выбирают один правильный ответ. Затем всем классом разбираем решение задач, записываем правильный цифровой код  13242. Ребята сами себя оценивают. 

4. Практическая часть.

Учащиеся объясняют принцип работы различных приборов:

 опыт Фарадея, динамо-машина, трансформатор, колебательный контур.

5.Сообщения учащихся.

-Работа ТЭС в России, (сл. 19)

-Работа ГЭС в России, (сл. 20)

-Работа АЭС в России, (сл. 21)

-Проблемы энергетики Астраханской области (сл. 22)

6.Передача энергии и альтернативные  источники энергии.  (сл. 23-26)

Видео (Альтернативные  источники энергии)-4мин.

7.Подведение итогов. (сл. 27-28)

1. Тепловые потери при передаче электроэнергии

1. Крупный город потребляет электрическую мощность порядка 20МВт. При напряжении 220В получаем потребляемый тока примерно 105А. Если такой ток пропустить по линии электропередач от станции к потребителю по медным проводам диаметром 1см, то на каждый километр длины линии будет выделяться тепловая мощность Q/t=I2R примерно 107кВт. Это в нынешних ценах на электроэнергию стоит 6 млн. рублей в час!!!

Проблема электроснабжения астраханской области.

 В Астраханском государственном университете осенью 2011 года прошла международная конференция «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии». Одним из вопросов рассматривалась проблема электроснабжения астраханской области. В Астрахани  последняя электростанция (ТЭЦ-2) была открыта в конце 80-х годов. Надо сказать, что Астраханская область уже долгие годы не в состоянии сама полностью обеспечивать себя электрической энергией. Электричество у нас, более чем на треть, поставляется из других регионов. Но запуск новых электростанций – это, по мнению экологов, не лучшее решение для окружающей среды. Работа тепловой электростанции, какой бы совершенной она ни была - это всегда вредные для окружающей среды выбросы, вызывающие, в том числе, парниковый эффект. И стоимость полученной на них энергии тоже далека от идеала. Гидроэлектростанцию строить в условиях нашей равнины – лишь окончательно загубить ту часть рыбы, что у нас осталась, при этом не получив особенной прибыли по части электроэнергии. Геотермальные электростанции тоже не для нас, гейзеров и прочего необходимого у нас не водится.

 Остаются два вида, которые, казалось бы, просто идеальны для нашего климата – ветроэлектростанции и электростанции на солнечных батареях. Близость Каспийского моря обеспечивает частые ветра, а уж солнечных дней у нас хватает – не поспоришь.     Однако не всё так оптимистично в использовании альтернативных источников энергии. К сожалению, сильно мешает тот факт, что обе технологии  до сих пор находятся не на том уровне развития, чтобы их массово начать использовать, мешают две вещи – высокая стоимость самих установок и их относительно низкий коэффициент полезного действия. Если прибавить к этому ещё и зависимость от погодных условий (ветер может прекратиться и солнце зайти за тучу – однако, потребление-то останется прежним) – картина вырисовывается не такая уж оптимистичная.

    Кроме того, использование солнечных батарей в Астраханской области ограничено ещё по одной причине. Их коэффициент полезного действия снижается при высоких температурах. То есть в нашу сорокаградусную жару батареи будут работать далеко не на полную мощность.

  Касаемо ветряных электростанций тоже есть свои трудности. По результатам исследований Астрахань является самым неудачным местом с точки зрения их расположения. Лучше всего, как оказалось, их ставить в южных районах области (сказывается близость Каспийского моря), далее по эффективности использования идёт район Верхнего Баскунчака. Но именно в областном центре требуется больше всего энергии, а природные условия не позволяют ставить здесь ветряки.

Кроме того, исследования показали, что целесообразно ставить в регионе исключительно ветряные электростанции малой мощности. Ветряки большой и даже средней мощности у нас ставить невыгодно. Соответственно занять какую-то ощутимую долю в производстве энергии они вряд ли смогут, по крайней мере, при нынешнем развитии. Таким образом, вырисовывается, пожалуй, единственное на данный момент место для использования подобных электростанций – фермерские хозяйства. Там как раз нужны именно ветряки небольшой мощности, размещаемые прямо на месте и позволяющие заодно снизить потери при передачи энергии от производителя к потребителю. Однако всему мешает тот факт, что подобная установка стоит столько, что фермеру проще купить дизель-генератор и целыми днями жечь солярку, чем брать кредит и ждать, когда же, наконец, экологически чистый источник энергии себя окупит.

Теперь о потерях. В нашем регионе потери в электрических сетях составляют 18%. При том, что даже в среднем по стране эта величина близка к 12%. Про зарубежные страны лучше промолчать, там каким-то непостижимым образом укладываются в фантастические для нас 4%.  Стоит ли делать ставку на новейшие источники энергии, когда сети находятся в таком состоянии? В пользу альтернативных источников энергии приводился тот факт, что в западных странах, например, той же Германии доля энергии, произведённой ими, близится к цифре в 20%. В то время, как у нас их использование и 2% еле набирает. развитие альтернативных источников энергии там активно поддерживает государство. У нас же такого стимула для поддержки нет, особенно в плотно подсевшей на газовую иглу Астраханской области. В данный момент нам куда проще использовать для производства электрической энергии газ, особенно учитывая, что технология его использования в этом качестве уже достигла высокого развития.Что кстати и делается. По крайней мере, все строящиеся (и находящиеся уже практически на стадии открытия) электростанции в нашем регионе будут работать именно на природном газе. Это не хорошо, это не плохо – это реальность, с которой нужно смириться. А разработка альтернативных источников энергии в нашем регионе требуют активной помощи от государства и, соответственно, пока не выходят за стены лабораторий. Однако всё ещё успеет измениться, и оставлять работу над ними, конечно же, не стоит. Всё-таки, будущее как раз за ними.

– В мае 2013 года планируется  запуск первой очереди электростанции» в районе Бабаевского  – 120 МВт. Срок ввода в эксплуатацию второго этапа строительства (115 МВт) – июль 2013 года.

      Переменный ток долгое время не находил практического применения.  Это было связано с тем, что первые генераторы электрической энергии вырабатывали постоянный ток, который вполне удовлетворял технологическим процессам электрохимии, а двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными характеристиками. Однако по мере развития производства постоянный ток все менее стал удовлетворять возрастающим требованиям экономичного электроснабжения.

В настоящее время центральное производство и распределение электрической энергии осуществляется в основном на переменном токе. Это объясняется следующими специфическими свойствами переменного тока:

-   возможностью превращаться практически во все другие виды энергии (тепловую, механическую, звуковую, световую и другие) с наименьшими потерями;

-   способностью относительно просто передаваться на значительные расстояния в больших количествах;

-   огромным скоростям протекания электромагнитных процессов;

-   способности к дроблению энергии и образование ее параметров (изменение напряжения, частоты).

-   невозможностью и, соответственно, ненужностью ее складирования или накопления.

Преимущества тепловых электростанций по сравнению с другими типами электростанций заключаются в следующем: относительно свободное размещение, связанное с широким распространением топливных ресурсов в России; способность вырабатывать электроэнергию без сезонных колебаний (в отличие от ГРЭС).

К недостаткам относятся: использование невозобновимых топливных ресурсов; низкий КПД, крайне неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

Тепловые электростанции всего мира выбрасывают в атмосферу ежегодно 200-250 млн т золы и около 60 млн т сернистого ангидрида; они поглощают огромное количество кислорода воздуха. К настоящему времени установлено, что и радиоактивная обстановка вокруг тепловых электростанций, работающих на угле, в среднем (в мире) в 100 раз выше, чем вблизи АЭС такой же мощности (так как обычный уголь в качестве микропримесей почти всегда содержит уран-238, торий-232 и радиоактивный изотоп углерода).

ТЭС нашей страны в отличие от зарубежных до сих пор не оснащены сколь-либо эффективными системами очистки уходящих газов от оксидов серы и азота. Правда, ТЭС на природном газе существенно экологически чище угольных, мазутных и сланцевых, но огромный экологический вред наносит природе прокладка газопроводов, особенно в северных районах.

Несмотря на отмеченные недостатки, в ближайшей перспективе доля ТЭС в приросте производства электроэнергии должна составить 78-88% (так как прирост производства на АЭС в связи с повышением требований и их безопасности в лучшем случае будет весьма незначительным, сооружение ГЭС будет ограничиваться возведением плотин главным образом в условиях с минимальными площадями затопления). Тепловые электростанции восточных районов будут базироваться в основном на угле, прежде всего дешевом угле открытой добычи Канско-Ачинского бассейна.

Гидравлические электростанции (ГЭС). На втором месте по количеству вырабатываемой электроэнергии находится ГЭС (16,5%). Гидроэлектростанции являются весьма эффективным источником энергии, поскольку используют возобновимые ресурсы, обладают простотой управления (количество персонала на ГЭС в 15-20 раз меньше, чем на ГРЭС) и имеют высокий КПД (более 80%). В результате производимая на ГЭС энергия самая дешевая. Огромное достоинство ГЭС - высокая маневренность, т. е. возможность практически мгновенного автоматического запуска и отключения любого требуемого количества агрегатов. Но строительство ГЭС требует больших сроков и больших удельных капиталовложений, ведет к потерям равнинных земель, наносит ущерб рыбному хозяйству.

Наиболее мощные ГЭС построены в Сибири, где осваиваются гидроресурсы наиболее эффективно: удельные капиталовложения в 2-3 раза ниже и себестоимость электроэнергии в 4-5 раз меньше, чем в европейской части страны.

Для гидростроительства в нашей стране было характерно сооружение на реках каскадов гидроэлектростанций. Каскад - это группа ГЭС, расположенных ступенями по течению водного потока с целью последовательного использования его энергии. При этом помимо получения электроэнергии решаются проблемы снабжения населения и производства водой, устранения паводков, улучшения транспортных условий. К сожалению, создание каскадов в стране привело к крайне негативным последствиям: потере ценных сельскохозяйственных земель, особенно пойменных, нарушению экологического равновесия.

ГЭС можно разделить на две основные группы: ГЭС на крупных равнинных реках и ГЭС на горных реках. В нашей стране большая часть ГЭС сооружалась на равнинных реках. Равнинные водохранилища обычно велики по площади и изменяют природные условия на значительных территориях. Ухудшается санитарное состояние водоемов. Нечистоты, которые раньше выносились реками, накапливаются в водохранилищах, приходится применять специальные меры для промывки русел рек и водохранилищ. Сооружение ГЭС на равнинных реках менее рентабельно, чем на горных. Но иногда для создания нормального судоходства и орошения это необходимо.

Самые крупные ГЭС в стране входят в состав Ангаро-Енисейского каскада: Саяно-Шушенская, Красноярская на Енисее, Иркутская, Братская, Усть-Илимская на Ангаре, строится Богучанская ГЭС (4 млн кВт).

В европейской части страны создан крупный каскад ГЭС на Волге: Иваньковская, Угличская, Рыбинская, Горьковская, Чебоксарская, Волжская им. В.И. Ленина, Саратовская, Волжская.

Атомные электростанции. Доля АЭС в суммарной выработке электроэнергии - около 12% (в США - 19,6%, в Великобритании - 18,9, в ФРГ - 34%, в Бельгии - 65%, во Франции - свыше 76%). Планировалось, что удельный вес АЭС в производстве электроэнергии достигнет в СССР в 1990 г. 20%, фактически было достигнуто только 12,3%. Чернобыльская катастрофа вызвала сокращение программы атомного строительства, с 1986 г. в эксплуатацию были введены только 4 энергоблока.

В настоящее время ситуация меняется, правительством было принято специальное постановление, фактически утвердившее программу строительства новых АЭС до 2010 г. Первоначальный ее этап - модернизация действующих энергоблоков и ввод в эксплуатацию новых, которые должны заменить выбывающие после 2000 г. блоки Билибинской, Нововоронежской и Кольской АЭС.Сейчас в России действуют 9 АЭС общей мощностью 20,2 млн кВт. Еще 14 АЭС и ACT (атомная станция теплоснабжения) общей мощностью 17,2 млн кВт находятся в стадии проектирования, строительства или временно законсервированы. Преимущества АЭС сводятся к следующему: можно строить в любом районе независимо от его энергетических ресурсов; атомное топливо отличается необыкновенно большим содержанием энергии (в 1 кг основного ядерного топлива - урана - содержится энергии столько же, сколько в 25 000 т угля: АЭС не дают выбросов в атмосферу в условиях безаварийной работы (в отличие от ТЭС), не поглощают кислород из воздуха.

Работа АЭС сопровождается рядом негативных последствий:

Существующие трудности в использовании атомной энергии - захоронение радиоактивных отходов.  Для вывоза со станций сооружаются контейнеры с мощной защитой и системой охлаждения. Захоронение производится в земле на больших глубинах в геологически стабильных пластах.

Катастрофические последствия аварий на наших АЭС - вследствие несовершенной системы защиты.

Тепловое загрязнение используемых АЭС водоемов. Функционирование АЭС как объектов повышенной опасности требует участия государственных органов власти и управления в формировании направлений развития, выделении необходимых средств.

Все большее внимание в перспективе будет уделяться использованию альтернативных источников энергии - солнца, ветра, внутреннего тепла земли, морских приливов. Уже построены опытные электростанции на этих нетрадиционных источниках энергии: на приливных волнах на Кольском полуострове Кислогубская и Мезенская, на термальных водах Камчатки - электростанции близ реки Паужетки и др. Ветровые энергоустановки в жилых поселках Крайнего Севера мощностью до 4 кВт используются для защиты от коррозии магистральных газо- и нефтепроводов, на морских промыслах. Ведутся работы по вовлечению в хозяйственный оборот такого источника энергии, как биомасса.

Для более экономичного, рационального и комплексного использования общего потенциала электростанции нашей страны создана Единая энергетическая система (ЕЭС), в которой работают свыше 700 крупных электростанций, имеющих общую мощность свыше 250 млн кВт (т. е. 84% мощности всех электростанций страны). Управление ЕЭС осуществляется из единого центра, оснащенного электронно-вычислительной техникой.

Первая в России электростанция построена на ул. Новгородской российско – немецко – бельгийским обществом «Гелиос» в 1897 году. Первоначальная мощность - 525 кВт, основное топливо – уголь. В 1928-1933 годах она прошла масштабную реконструкцию. В то же время началась активная теплофикация прилегающих жилых массивов. В 1970-1975 годах турбины № 2 и № 5, впервые в стране, были оснащены генераторами с водяным охлаждением. В 1999 году объединена с двумя электростанциями Центрального района, построенными в 1898-1899 гг. с образованием Центральной ТЭЦ. С 2001 года электростанции Центральной ТЭЦ полностью переведены на газ, что, положительно отразилось на экологической обстановке в центре Санкт-Петербурга. Впервые в России введена в эксплуатацию электростанция с применением альтернативных источников энергии для продажи электроэнергии в сеть. Система состоит из поликристаллических солнечных батарей мощностью 50 кВт и аморфных солнечных панелей такой же мощности. Расчетная производительность данной станции — 133390 кВтч в год.

Электроэнергия, выработанная солнечной электростанцией, поступает в сеть филиала ОАО «МРСК Центра» – «Белгородэнерго» и далее распределяется конечным потребителям. По расчетам специалистов, весь проект должен окупиться примерно за пять с лишним лет.

Корпорация XXII принимала непосредственное участие в подборе и поставке оборудования для солнечной электростанции.