2021学年第4节 电能的远距离输送评课课件ppt

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第4节　电能的远距离输送[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念了解高压交流输电与直流输电及其优缺点。科学思维理解降低输电损耗的两个途径，理解高压输电的原理，会计算输电损失。科学探究会利用模型解决远距离输电问题。科学态度与责任知道生活中的远距离输电问题。知识点一　常用高压输电的原因1．两种损失比较两种损失主要原因大小表示减小办法电功率损失输电线有电阻，电流流过时产生焦耳热ΔP＝I2R减小R减小I电压损失输电线电阻的电压降ΔU＝IR2．降低两种损失的途径－－高压输电输送一定功率电能，输电电压越高，输电线中电流越小，导线因发热而损耗的电能越少，线路上电压的损失也越少。　在电能的输送过程中，U为输电电压，r为输电线电阻，则输电线中电流为I＝，这种说法是否正确？提示：不对，U为输电电压，而不是加在输电导线上的电压。1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)为了减少能量损失，要高压输电，而且越高越好。 (×)(2)输送功率一定时，提高输送电压，可以减少功率损失。 (√)(3)电压损失ΔU＝IR线和电功率损失ΔP＝I2R线中I可以通过I＝ 求得。 (√)知识点二　高压交流输电与直流输电1．高压交流输电系统(1)输电环节：在发电站附近用升压变压器升高电压，用输电线输送到远方，在用电地区附近，用降压变压器降到所需电压。(2)远距离输电电路图如图所示：2．高压直流输电(1)采用高压直流输电的原因当交流输电功率很大时，导线的电感、电容引起的电压及电能损失很大；同一电网供电的发电机同步运行，技术上也存在困难。(2)高压直流输电系统的工作程序：交变电流升压后输送到整流器，把高压交变电流变换成高压直流电流，经由高压直流线路输送到用电地区后，将高压直流电流变换成高压交变电流，再经降压变压器降压。(3)高压直流输电系统的优点①不存在感抗和容抗引起的损耗。②节省材料，输电结构简单，占地面积小。③不需要考虑电网中的各发电机的同步运行问题。　在交变电流电路中感抗、容抗类似于电阻对电流的阻碍作用。2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)高压直流输电与高压交流输电的区别在于输送环节。 (√)(2)在直流输电中，不要求供电的所有发电机同步运行。 (√)知识点三　电能的利用与社会发展1．发电机、电动机在工业上的运用，克服了蒸汽机在使用过程中存在的不少难题，体现出许多优越性。与蒸汽机相比，电动机灵活、小巧、适应力强，更加广泛地应用于工业生产领域。2．目前使用的电能，主要来自热能、水能、原子能、风能等其他形式的能量，这些能量转换为电能都离不开发电机。火力发电，是利用石油、煤炭和天然气等燃料燃烧时产生的热能将水加热，产生高压水蒸气，推动汽轮机转动，带动发电机的转子转动，将机械能转化为电能，再通过外电路把电能输送出去；水力发电和风力发电则是直接利用水和风带动发电机的转子转动，将机械能转化为电能。高铁、动力机械等，都是利用电动机的通电线圈受到磁场的力的作用而发生转动，将电能转化为机械能。3．电能的利用提高了劳动生产率，解放了劳动者。　电能通过发电厂和电力网实现了集中生产，分散使用，便于传输和分配。3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)电能是一次能源，可以再生。 (×)(2)输电线的电阻共计为r，输送的电功率为P，用电压U送电，则用户能得到的电功率为P－r。              (√) 考点1　输电线上电压和功率损失的计算如图所示的输电线路，为什么在用电高峰期家中的白炽灯灯光较暗？怎样才能减小导线上损失的电压呢？提示：用电高峰期高压输电线和变压器到家庭的输电线中电流较大，有较大的电压损失，因此加在白炽灯上的电压变低，达不到额定功率，因此白炽灯灯光较暗；为减小导线上损失的电压可减小输电线电阻，提高输电电压。1．功率损失的原因在电能输送过程中，电流流过输电线时，因输电线有电阻而发热，电能必有一部分转化为内能而损失掉。2．若输电线的电阻为R线，输电电流为I，输电线始端和末端的电压分别为U和U′，则：(1)电压损失ΔU＝U－U′＝IR线；(2)功率损失ΔP＝I2R线＝IΔU＝。3．若输电功率P不变，输电电压提高到nU，可使输电电流减小到，则：(1)电压损失减小到；(2)功率损失减小到。【典例1】　在远距离输电时，要考虑尽量减少输电线上的功率损失。有一个小型发电站，输送的电功率P＝500 kW，当使用U＝5 kV的电压输电时，测得安装在输电线路起点和终点处的两只电度表一昼夜示数相差4 800 kW·h。求：(1)输电效率η和输电线的总电阻r；(2)若想使输电效率提高到98%，又不改变输电线，那么发电站应使用多高的电压向外输电？思路点拨：输电线上损失的功率为P损＝I2r，输电功率P＝UI，要提高输电效率，就要提高输电电压。[解析]　(1)输送功率P＝500 kW，一昼夜输送电能E＝Pt＝12 000 kW·h输电线上损失的电能ΔE＝4 800 kW·h终点得到的电能E′＝E－ΔE＝7 200 kW·h所以输电效率η＝×100%＝60%输电线上的电流I＝＝100 A输电线上损耗的功率Pr＝＝200 kW输电线的电阻r＝＝20 Ω。(2)Pr＝r要求输电线上损耗的功率Pr′＝2%P＝10 kW输电电压应调节为U′＝P≈22.4 kV。[答案]　(1)60%　20 Ω　(2)22.4 kV计算输电线上功率损失的两种方法计算输电线上损失的功率时，要注意区分两个电压：输电电压(输电线始端的电压)U和输电线上的损失电压ΔU。(1)P损＝ΔUI＝，ΔU是输电线两端的电压，即输电线上损失的电压。(2)P损＝R线，U是指输送电压，即从发电站发出后，经过变压器升高后的电压。[跟进训练]1．(多选)特高压输电可使输送中的电能损耗和电压损失大幅降低。我国已成功掌握并实际应用了特高压输电技术。假设从A处采用550 kV的超高压向B处输电，输电线上损耗的电功率为ΔP，到达B处时电压下降了ΔU。在保持A处输送的电功率和输电线电阻都不变的条件下，改用1 100 kV特高压输电。输电线上损耗的电功率变为ΔP′，到达B处时电压下降了ΔU′。不考虑其他因素的影响，则(　　)A．ΔP′＝ΔP　　 B．ΔP′＝ΔPC．ΔU′＝ΔU   D．ΔU′＝ΔUAD　[若采用550 kV的超高压输电，输电线上的功率损耗ΔP＝·r，输电线路损失的电压ΔU＝·r，若改用1 100 kV的特高压输电，同理有ΔP′＝·r，ΔU′＝·r，可得ΔP′＝，ΔU′＝，故B、C项错误，A、D项正确。] 考点2　高压输电线路的分析与计算我们日常生活离不开电，电是由发电厂产生的。为了合理地利用自然资源，火力发电厂通常建在煤矿附近，水电站建在水力资源丰富的河流上，但用电的地方可能距离很远，需要将电能安全、保质地由发电厂送往远方，同时又不能浪费太多的电能。火力发电厂或水电站发出电的电压一定很高吗？怎样才能提高输送电压？用户消耗的电功率和电厂发出的电功率相等吗？ 提示：电厂发出的电压最大值由公式Em＝NBSω决定，因机械制造等因素，电压不会很高，通常借助变压器将低电压变为高电压。用户消耗的电功率和电厂发出的电功率不相等，因为在电能的输送线路上有电阻要消耗部分电功率，所以电厂发出的电功率大于用户获取的电功率。1．远距离输电问题的分析方法处理远距离输电问题的关键是抓住一图三关系，一图即输电的电路图，三关系即：功率关系、电压关系和电流关系，抓住一图三关系，按照从前到后或从后向前的顺序，即可找到突破口。2．远距离输电电路图3．基本关系式(1)功率关系：P1＝P2，P3＝P4，P2＝ΔP＋P3。(2)电压、电流关系：＝＝，＝＝，U2＝ΔU＋U3，I2＝I3＝I线。(3)输电电流：I线＝＝＝。(4)输电线上损耗的电功率：ΔP＝I线ΔU＝IR线＝R线。【典例2】　发电机的输出电压为220 V，输出功率为44 kW，每条输电线的电阻为0.2 Ω，求：(1)此时用户得到的电压和电功率各为多少？(2)如果发电站先用变压比为1∶10的升压变压器将电压升高，经同样的输电线路后经10∶1的降压变压器将电压降低后供给用户，则用户得到的电压和电功率各是多少？思路点拨：⇒⇒[解析]　(1)输电线上的电流IR＝＝ A＝200 A损失的电压UR＝IRR＝2×0.2×200 V＝80 V损失的功率PR＝URIR＝80×200 W＝16 kW故用户得到的电压U用户＝U－UR＝140 V用户得到的功率为P用户＝P－PR＝28 kW。(2)已知升压变压器的匝数比n1∶n2＝1∶10输入电压U1＝220 V因此，升压变压器的输出电压U2＝U1＝2 200 V输电线上的电流I′R＝＝ A＝20 A损失的电压U′R＝I′RR＝2×0.2×20 V＝8 V损失的功率P′R＝U′RI′R＝8×20 W＝160 W因此，降压变压器的输入电压U3＝U2－U′R＝2 192 V已知降压变压器的匝数比n3∶n4＝10∶1所以用户得到的电压U4＝U3＝219.2 V用户得到的功率P′用户＝P－PR′＝43.84 kW。[答案]　(1)140 V　28 kW　(2)219.2 V　43.84 kW远距离输电问题的分析思路(1)明确远距离输电的过程，画出输电的过程图。(2)清楚远距离输电过程图的三个独立的回路。(3)变压器是连接三个回路的关键，明确各个回路的电压、电流间的关系。(4)利用输电电压、输电功率或输电线的功率损失与输电线的电阻计算输电电流。(5)分清输电电压和输电线上的电压，确定输电功率、输电线损失功率和用户得到的功率。(6)根据欧姆定律确定用户回路中各个元件的电压、电流和功率。[跟进训练]2．如图所示为远距离交流输电的简化电路图。发电厂的输出电压是U，用等效总电阻是r的两条输电线输电，输电线路中的电流是I1，其末端间的电压为U1。在输电线与用户间连有一理想变压器，流入用户端的电流为I2。则(　　)A．用户端的电压为B．输电线上的电压降为UC．理想变压器的输入功率为IrD．输电线路上损失的电功率为I1UA　[理想变压器输入和输出功率相同，设用户端得到的电压为U2，则有I1U1＝U2I2，U2＝，选项A正确；输电线上的电压降为ΔU＝I1r，或者ΔU＝U－U1，选项B错误；理想变压器的输入功率为P＝I1U1，选项C错误；输电线路上损失的电功率为ΔP＝Ir，选项D错误。]1．(多选)高压直流输电与高压交流输电相比(　　)A．高压直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗B．高压直流输电所需的设备比高压交流输电所需的设备经济C．高压直流输电技术简单D．高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统AD　[稳定的直流输电不存在感抗和容抗引起的损耗，A正确；高压直流输电技术的要求高，所需的换流设备制造难、价格高，B、C错误；高压直流输电主要用于联系非同步运行的交流系统，D正确。故选AD。]2．(多选)远距离输送交流电都采用高压输电，其优点是(　　)A．可节省输电线的铜材料B．可根据需要调节交流电的频率C．可减少输电线上的能量损失D．可加快输电的速度AC　[由P＝IU得I＝，输送的电功率P一定，采用高压输电，输电线中的电流就小，由P线＝I2r，要求输电线损耗一定的情况下，就可选横截面积较小的输电线，从而可以节省输电线的铜材料。若输电线确定，则可减少输电线上的能量损失，故A、C正确；交流电的频率是一定的，升高电压无法改变交流电的频率，输电的速度就是电磁波的传播速度，是一定的，故B、D错误。]3．某水电站用总电阻为2.5 Ω的输电线输电给500 km外的用户，其输出电功率是3×106 kW。现用500 kV电压输电，则下列说法正确的是(　　)A．输电线上输送的电流大小为2.0×105 AB．输电线上由电阻造成的电压损失为15 kVC．若改用5 kV电压输电，则输电线上损失的功率为9×108 kWD．输电线上损失的功率为ΔP＝，U为输电电压，r为输电线的电阻B　[输电线上输送的电流为I＝＝＝6 000 A，A错误；输电线上由电阻造成的电压损失为U损＝IR线＝6 000×2.5 V＝1.5×104 V，B正确；输电线上损失的功率不可能大于输送的总功率3×106 kW，C错误；ΔP＝中，U应当为输电线上损失的电压，D错误。]4．(新情境题，以“学校用电”为背景，考查远距离交流输电)如图所示是备用发电机。升压变压器的匝数比为1∶4，降压变压器的匝数比为4∶1，输电线的总电阻为R＝4 Ω，全校共有22间教室，每间教室用“220 V　40 W”的灯6盏，所有灯都正常发光。问题：(1)学校应备多大输出功率的发电机？(2)输电线上损耗的电功率多大？[解析]　(1)所有灯都正常工作时的总功率P2＝22×6×40 W＝5 280 W用电器总电流I3＝＝24 A输电线上的电流I2＝＝6 A降压变压器上的输入电压U3＝4U4＝880 V输电线上的电压损失U损＝I2R＝24 V因此，升压变压器的输出电压U2＝U损＋U3＝904 V输入电压U1＝＝226 V输入电流I1＝4I2＝24 A所以发电机的输出功率P1＝U1I1＝5 424 W。(2)输电线上损耗的电功率P损＝IR＝144 W。[答案]　(1)5 424 W　(2)144 W回归本节知识，自我完成以下问题：1．试写出高压交流输电的电压、功率损失的表达式？提示：电压损失：U损＝I线R线；功率损失：P损＝IR线。2．减小高压输电过程中能量损失的办法有哪些？提示：减小输电线的电阻，减小输电电流。3．试画出高压交流输电的简化电路图？提示：超导电缆输电超导电缆基本结构减小输电线路的电阻是降低输电损失的重要途径。许多导体在温度特别低时电阻可以降到0，这个现象叫作超导现象。例如，铝在1.39 K(－271.76 ℃)、铅在7.20 K(－265.95 ℃)以下，都能出现超导现象。近年来已经开发出一些“高温”超导材料，它们在100 K(－173 ℃)左右电阻就能降为0。由于目前保持低温的主要方法是利用液态氮甚至液态氦，所以超导体输电还处于试验阶段。上图是一种超导电缆的结构。近期内，高温超导电缆在以下几个方面可能有比较大的优势：一是在城市大厦群中，原来的常规电缆容量不够，又没有更大的增设空间；二是在金属冶炼等大电流、短距离、小空间的应用场合；三是用来制造发电厂或变电站内大电流的传输母线。这些情况下，都可以在原有的电缆管道内把旧电缆更换为超导电缆，使供电容量提高三至五倍。　超导电缆输电有什么优点？又有什么困难？提示：优点：没有电阻耗能，能提供更多的电能。困难：需要的温度太低。