Способы получения электрической энергии¶

Электричество — форма энергии, возникающая при существовании и перемещении электрических зарядов; в прикладном смысле под ним понимают электрический ток и электрическое поле, используемые для выполнения работы. Получение электричества (генерирование электроэнергии) осуществляется преобразованием других видов энергии — механической, химической, тепловой, световой — в электрическую посредством генераторов, электрохимических ячеек, фотоэлементов и других устройств.

¶Основные физические принципы

Все способы получения электричества основаны на нескольких фундаментальных явлениях:

• Электромагнитная индукция — возникновение ЭДС в проводнике при изменении магнитного потока через охватываемую им площадь (закон Фарадея, 1831 год). Основа работы подавляющего большинства электростанций.
• Электрохимические реакции — перенос электронов между веществами при окислительно-восстановительных процессах. Основа работы гальванических элементов и топливных элементов.
• Фотоэлектрический эффект — возникновение ЭДС в полупроводниковом переходе под действием света (фотовольтаика).
• Термоэлектрический эффект — возникновение напряжения на границе разнородных проводников при разности температур (эффект Зеебека).
• Пьезоэлектрический эффект — появление заряда в кристаллах при механическом деформировании.

¶Преобразование механической энергии

¶Гидроэнергетика

Гидроэлектростанции (ГЭС) преобразуют кинетическую и потенциальную энергию потока воды во вращательное движение гидротурбины, связанной с ротором генератора. КПД гидроагрегатов достигает 90–95 %, что делает их одними из самых эффективных устройств преобразования энергии. Крупнейшие ГЭС России — Саяно-Шушенская (6400 МВт), Красноярская (6000 МВт) и Зейская (1290 МВт).

¶Ветроэнергетика

Ветряные установки преобразуют кинетическую энергию воздушного потока во вращение лопастей ротора. Теоретический предел мощности ветроустановки задан правилом Бетца (59,3 %), реальный КПД составляет 35–45 %. В России крупнейшие ветропарки расположены в Астраханской, Ульяновской и Оренбургской областях.

¶Тепловые электростанции

На ТЭС тепловая энергия сжигаемого топлива (уголь, газ, мазут) передаётся рабочему телу (пару), который вращает паровую турбину. Атомные электростанции работают по аналогичному циклу, но теплота выделяется при делении ядер урана в реакторе; парогенераторы АЭС используют воду как рабочее тело. На долю тепловой генерации в России приходится свыше 60 % выработки электроэнергии.

¶Электрохимические источники

¶Гальванические элементы и аккумуляторы

Химическая энергия веществ превращается в электрическую за счёт окислительно-восстановительных реакций. Разделяют первичные элементы (батарейки), однократного использования, и вторичные (аккумуляторы), обратимые: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-металлгидридные, никель-кадмиевые. Напряжение типичной щелочной батарейки — 1,5 В, литий-ионной аккумуляторной ячейки — 3,6–3,7 В.

¶Топливные элементы

Устройства, непрессредственно преобразующие химическую энергию топлива (чаще всего водорода) и окислителя (кислорода) в электрическую. КПД достигает 60 %, при когенерации — до 85 %. Разрабатываются для стационарных энергоустановок и электротранспорта.

¶Фотовольтаика

Солнечные элементы на основе полупроводниковых переходов (кремний, арсенид галлия, перовскиты) генерируют постоянный ток при освещении. КПД коммерческих кремниевых модулей составляет 18–24 %, лабораторные образцы превышают 47 %. В России крупнейшие солнечные электростанции — Астраханская СЭС (100 МВт) и Бурундинская СЭС в Забайкалье.

¶Термоэлектрические генераторы

ТЭГ работают на эффекте Зеебека: на границе двух разнородных проводников при нагреве одной из сторон возникает разность потенциалов. КПД устройств невысок (5–8 %), однако отсутствие подвижных частей позволяет применять их в космических аппаратах (радиоизотопные термоэлектрические генераторы на плутонии-238) и в местах без доступа к сети.

¶Лабораторные и бытовые способы

Для получения электричества в небольших количествах используют:

• Электростатические генераторы (машина Ван де Граафа, электрофорное колесо) — накопление заряда на конденсаторе за счёт механической работы.
• Пьезоэлементы — зажигалки для газовых плит, датчики ударов.
• Электромагнитные индукторы — динамомикрофоны, динамо-машины велосипедных фонарей.

¶Экологические и экономические аспекты

Выбор способа генерации определяется доступностью первичных ресурсов, стоимостью строительства и эксплуатации, уровнем выбросов. Возобновляемые источники (ГЭС, ветер, солнце) не сжигают топливо, но зависят от природных условий и требуют систем накопления энергии. Тепловая генерация обеспечивает диспетчерируемую мощность, но связана с выбросами CO₂ и загрязнением. В России энергобаланс формируют прежде всего ГЭС, АЭС, ТЭС на газе и угле, а также ветровые и солнечные парки в отдельных регионах.

Источники:

• Физический энциклопедический словарь / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1983.
• Гуревич М. М. Возобновляемая энергетика: учебное пособие. — М.: Издательский дом МЭИ, 2010.
• Копылов И. П. Электротехника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 2008.
• Энергетическая стратегия России на период до 2035 года. — М.: Министерство энергетики Российской Федерации, 2020.