Урок 12. преобразование и передача электроэнергии — Естествознание — 11 класс

Естествознание, 11 класс

Урок 12. Преобразование и передача электроэнергии

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• Какие способы передачи энергии на расстояние существуют?
• Чем обусловлены потери энергии при передаче?
• Чем выгоден каждый способ передачи электроэнергии?
• Как уменьшить потери при передаче электроэнергии?

Глоссарий по теме:

Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле.

Правило Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей.

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея).

Какова бы ни была причина изменения магнитного потока, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре Э.

Д.С. индукции определяется формулой:

Первичной обмоткой называется та, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока. Вторичная обмотка – обмотка, которая служит источником питания для потребителя. Обычно первичную обмотку обозначают индексом 1, а вторичную – индексом 2.

Трансформатор (от лат.transformare — «превращать, преобразовывать») — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

1. Александров, А. П. Атомная энергетика и научно-технический прогресс / А.П. Александров. — М.: Наука, 2015. — 272 c.
2. Арутюнян, А. А. Основы энергосбережения / А.А. Арутюнян. — М.: Энергосервис, 2016. — 600 c.
3. Демидов, В. И. Тепла Вам и света / В.И. Демидов. — М.: Лицей, 2009. — 254 c.

Дополнительные источники:

1. https://moiinstrumenty.ru/elektro/obmotka-transformatora.html
2. Якобсон, И.А. Испытания переключающих устройств силовых трансформаторов / И.А. Якобсон. — М.: Наука, 2006. — 56 c

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В современном мире трудно представить себе даже несколько минут без электричества. Многие жизненно важные приборы, а также бытовая техника потребляют электроэнергию. Проблема передачи электроэнергии на различные расстояния: от маленьких деревень до многомиллионных городов до сих пор остается актуальной. Как это осуществить с минимальными потерями и наиболее эффективно?

Развитие цивилизации и научно-технический прогресс, связанный с использованием двигателей, потребовал решения не только задач производства энергии, но также задачи передачи энергии на расстояние. С давних пор известно два способа передачи топлива для двигателей: транспортный и более экономичный – трубопроводный, применяемые до сих пор. Но самый эффективный способ – по проводам. Французский физик М. Депре построил первую линию электропередачи в 1880 г. Однако, и этот способ не позволяет избежать потерь, связанных с нагревом подводящих проводов.

При простейшем способе передачи, когда источник электроэнергии (электрогенератор) связан проводами с потребителем, процесс передачи можно изобразить схемой, приведенной на Рис. 1

Рис.1

Обозначая полезную потребляемую мощность (мощность на нагрузке) через Wн, а паразитную мощность, идущую на нагревание проводов через Wп, получим для них выражения:

W_н = I²R

н

W_п = I²R_п

Из этих формул видно, что отношение мощностей равно отношению сопротивлений.

Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из алюминия или меди и достаточно толстыми.

Уменьшить потери энергии в проводах по сравнению с энергией, которую нужно передать, можно, если уменьшить ток, текущий в проводах, по сравнению с током, который течет в приборах потребителя. Сделать это позволяет трансформатор, принцип действия которого основан на взаимопреобразовании электрического и магнитного полей. Трансформатор, история применения которого насчитывает почти полтора века, все это время служит человечеству верой и правдой. Его назначение — преобразование напряжения переменного тока. Это одно из немногих устройств, КПД которого может достигать почти 100%.

Самый простой трансформатор — это сердечник из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью (например, из электротехнической стали) и две намотанных на него обмотки (рис. 2). При пропускании через первичную обмотку переменного тока силой I₁ в сердечнике возникает меняющийся магнитный поток Ф, которым пронизывается как первичная, так и вторичная обмотка.

В каждом из витков этих обмоток находится одинаковая по численному значению ЭДС индукции. Таким образом, отношения ЭДС в обмотках и витков в них одинаковы. На холостом ходу (I₂ = 0) напряжения на обмотках практически равны ЭДС индукции в них, следовательно, для напряжений также выполняется соотношение:

U₁ / U₂ ≈ N₁ / N_2, где

N₁ и N₂ — число витков в обмотках.

Отношение U₁ / U₂ называют еще коэффициентом трансформации (k). Если U₁ < U

2, трансформатор называют повышающим, при U₁ > U₂ — понижающим (рис 2). У первого трансформатора коэффициент трансформации больше, а у второго — меньше единицы. Поскольку КПД трансформатора близок к 100%, мощность в цепи первичной обмотки приблизительно равна мощности в цепи вторичной обмотки:

U₁I₁=U₂I₂

Следовательно, ток во вторичной обмотке меньше, чем ток в цепи потребителя. Так как потери на нагрев проводов в линии электропередачи пропорциональны , уменьшение тока в проводах линии электропередачи позволяет уменьшить потери энергии.

Один и тот же трансформатор, в зависимости от того к которой обмотке прикладывается, а с какой снимается напряжение, может быть как повышающим, так и понижающим.

Рис 2. Повышающий трансформатор (k < 1)

Рис 3. Понижающий трансформатор (k > 1)

При U₂>>U₁, U₂>>U₃ и, соответственно, I₂<<I₁, I₂<<I₃ потери электроэнергии на нагрев проводов значительно уменьшаются.

Но и трансформаторы не идеальные устройства. Реальные трансформаторы, работающие в системе передачи электроэнергии достаточно сложны и внутри их помимо полезного, возникают и вредные токи, снижающие эффективность передачи.

Поэтому не прекращаются поиски усовершенствования выработки и передачи электроэнергии.

Рис.4 Устройство трансформатора

Рис.5. Сверхпроводники

Выводы:

• Передача энергии на расстояние в виде электроэнергии является в настоящее время наиболее удобным и дешевым способом передачи энергии.
• Использование трансформаторов и увеличение напряжения в проводах линий электропередачи, позволяет существенно снизить потери энергии при передаче электроэнергии.
• Ученые постоянно работают над проблемой сбережения энергии при ее передаче, например, использование сверхпроводников. Но многие проекты находятся еще на стадии разработки.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1: Подчеркните правильные ответы: «Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно __________. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из ________ или ее сплавов и достаточно_________».

Варианты ответов: больше, меньше, стали, меди, толстыми, тонкими.

Правильный вариант: Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из меди или ее сплавов и достаточно толстыми.

Задание 2: Решите кроссворд.

По горизонтали
2. статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты, называют….

3. обмотка, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока.

По вертикали
1.обмотка, которая служит источником питания для потребителя.

Правильный вариант:

На какие расстояния эффективно передавать электроэнергию?

Холодные провода

Принципиально новый подход к передаче электрической энергии открывает явление сверхпроводимости. Вспомним, что потери электрической энергии в проводе зависят помимо напряжения еще и от материала провода. Сверхпроводящие материалы обладают почти нулевым сопротивлением, что теоретически позволяет передавать электрическую энергию без потерь на большие расстояния. Минусом использования данной технологии является необходимость постоянного охлаждения линии, что иногда приводит к тому, что стоимость системы охлаждения значительно превышает потери электрической энергии при использовании обычного не сверхпроводимого материала. Типовая конструкция подобной ЛЭП состоит из нескольких контуров: провод, который заключен в кожух с жидким гелием, опоясывающий их кожух из жидкого азота и менее экзотичная тепловая изоляция снаружи. Проектирование таких линий ведется ежедневно, но до практической реализации доходит не всегда. Самым успешным проектом можно считать линию, построенную American Superconductor в Нью-Йорке, а самым амбициозным проектом — ЛЭП в Корее, протяженностью около 3000 км.

Прощайте, провода!

Идеи не использовать провода вообще для передачи электрической энергии возникли уже достаточно давно. Разве не могут вдохновлять опыты, которые проводил Никола Тесла в конце XIX — начале XX века? По свидетельствам его современников, в 1899 году в Колорадо-Спрингс Тесла смог заставить загореться две сотни лампочек без использования каких-либо проводов. К сожалению, записей о его работах почти не осталось, и повторить подобные успехи смогли лишь спустя сотню лет. Технология WiTricity, разработанная профессором MIT Марином Солячичем, позволяет передавать электрическую энергию без использования проводов. Идея заключается в синхронной работе генератора и приемника. При достижении резонанса возбуждаемое переменное магнитное поле излучателем в приемнике преобразуется в электрический ток. В 2007 году был успешно проведен эксперимент подобной передачи электроэнергии на расстояние в несколько метров.

К сожалению, современный уровень развития технологий не позволяет эффективно использовать сверхпроводящие материалы и технологию беспроводной передачи электрической энергии. Линии электропередачи в привычном для нас виде будут еще долго украшать поля и окраины городов, но даже их правильное использование позволяет принести существенную выгоду для развития всей мировой энергетики.

Электростанции на биомассе | Ассоциация «НП Совет рынка»

Полезные разделы

Электростанции на биомассе

Электростанции на биомассе

Электростанции на биомассе — Использование биомассы, для получения энергии, являлось единственным способом, к примеру, получения тепла, вплоть до конца 17 века. Однако и сегодня, биомасса, в основном в виде дров, довольно широко применяется в России, особенно в сельских районах. Использование биомассы, между тем, является довольно перспективным процессом. Подсчитано, что к 2010 году, объем используемой биомассы возрастет как минимум в три раза. В основном  — в качестве источника для выработки электроэнергии и тепла в паротурбинных и газотурбинных электростанциях, а также в качестве получения моторного топлива. Считается, что биомасса способна предоставить столько энергии, сколько вырабатывается всеми атомными электростанциями России. В настоящее время, электростанции на биомассе в качестве топлива используют древесину, растительные отходы, торфяные брикеты, и имеют КПД около 25%. Электростанции на биомассе в основном оборудованы паровыми турбинами, и работают по принципу паротурбинных теплоэлектростанций. Уровень мощности электростанций на биомассе может быть самым различным. От 4 до 100 КВт, для использования, к примеру, в фермерском хозяйстве, и до 100 МВт-ных промышленных электростанций. Электростанции малой мощности, работающие на биомассе, как правило снабжены установками газификации биомассы, а также газогенераторными установками. Биомасса, в этом случае, значительно превосходит, по своей способности к газификации, уголь, что делает подобные электростанции более экономичными, по сравнению с угольными. Электростанции на биомассе, мощностью до 1 МВт, вполне способны работать на отходах деревообработки, лесопереработки и т.п. В случае с электростанциями большей мощности, используются специальные энергетические плантации, предназначенные для более широкомасштабного производства топлива для таких электростанций. Плантации, как правило, представляют из себя специально высаженные быстрорастущие сорта деревьев, такие как тополь или ива. Один гектар такой плантации, при использовании газотурбинной электростанции на биомассе, позволяет производить до 25 МВт ч электроэнергии. Электростанции на биомассе имеют ряд ярко выраженных преимуществ. Более простой процесс газификации биомассы, по сравнению с углем, как уже было сказано выше, позволяют получать более дешевую электроэнергию. Кроме того, это более экологически чистый вид топлива, так как в биомассе содержится гораздо меньше серы. А современные технологии переработки биомассы, позволяют добиваться значительного снижения вредных выбросов в окружающую среду. Электростанции на биомассе работают с возобновляемыми источниками энергии, что, в настоящее время, приобретает все большую актуальность. Кроме того, увеличение производства биомассы, в том числе и распространение энергетических плантаций, способствует улучшению окружающей среды, и, одновременно, уменьшению эрозии почвы. Производство компостов из биомассы улучшает основные почвенные показатели, позволяет более эффективно очищать сточные воды. Распространение электростанций на биомассе позволит значительно снизить потребление не возобновляемых источников энергии, таких как нефтепродукты, природный газ или уголь, что положительно сказывается обеспечении энергетической безопасности страны в целом. 

Приложение — Коммерсантъ Business Guide (55296)

Тема энергоэффективных электростанций и способов передачи энергии стала наиболее актуальной еще при РАО «ЕЭС России». Сейчас любая строящаяся станция обладает наилучшими характеристиками по соотношению «расход топлива—выработка электроэнергии». Что же касается технологии передачи электроэнергии, то здесь ситуация сложнее: замена старых сетей на новые займет много лет.

Екатерина Гришковец

Задача заменить морально устаревшее оборудование на российских электростанциях была поставлена в Генеральной схеме размещения объектов электроэнергетики до 2020 года. Речь в ней шла о том, что производить электроэнергию необходимо с минимально возможными затратами топлива, при этом значительно увеличив коэффициент полезного действия турбины. Причем речь идет не только о парогазовых установках, но и об угольных, отвечающих самым высоким экологическим стандартам и отличающихся высокой производительностью. Постепенно такие электростанции строятся, однако во многих регионах по-прежнему работает устаревшее оборудование. «В энергетике, на промышленных предприятиях в основной массе стоит устаревшее оборудование, которое по своим показателям энергоэффективности не отвечает современным требованиям»,— говорит заместитель генерального директора группы Е4 Александр Невейко.

Быстрый рост потребления электроэнергии и проблемы, которые возникают при ее передаче, а также проблемы защиты окружающей среды можно решить в случае развития более эффективных энергосберегающих технологий. В компании «Сименс» считают, что повышение эффективности энергетических систем будет наиболее существенным фактором при решении экологических проблем в будущем. Кроме того, развивающимся и новым индустриальным странам требуется помощь для удовлетворения возрастающих потребностей в электроэнергии без оказания сильного воздействия на окружающую среду. Применение ультрасовременных технологий для инфраструктуры энергоснабжения позволит более эффективно использовать источники энергии, прежде всего ископаемое топливо, чтобы снижать воздействия на климат и не допустить полного исчерпания ресурсов.

Компания «Сименс» совместно со своими партнерами является единственным в мире поставщиком, предлагающим весь спектр современных технологий для электростанций. Это обычные тепловые электростанции и передовые технологии, такие как парогазовые электростанции с интегрированной газификацией угля, ветровые электростанции и гидроэлектростанции, топливные элементы для централизованного и децентрализованного производства электроэнергии. Компания «Сименс» — мировой лидер в сфере производства паровых турбин для солнечно-тепловых электростанций. В России множество строящихся электростанций применяет технологии «Сименс».

Энергетический сектор компании «Сименс» предлагает широкий спектр продуктов, решений и услуг промышленного применения для клиентов в нефтегазовой промышленности и других отраслях. Кроме того, портфель компании «Сименс» включает продукты для эффективной передачи и распределения электроэнергии. При использовании этих продуктов произведенную электроэнергию можно транспортировать и распределять без излишних потерь.

Энергопроизводство

Парогазовые электростанции — это электростанции, которые обеспечивают наиболее высокий уровень охраны окружающей среды и климата. На лучших электростанциях комбинированного цикла еще в 1992 году был получен коэффициент полезного действия, равный 52%. В 2002 году на электростанции «Майнц-Висбаден» (Германия) был получен КПД более 58%, что в то время было мировым рекордом. Выбросы углекислого газа в расчете на 1 кВт ч выработанной электроэнергии составляли всего около 345 г благодаря высокой эффективности использования природного газа, который является низкоуглеродистым топливом. «Для дальнейшего повышения эффективности парогазовых электростанций необходима оптимизация пароводяного цикла и дальнейшее повышение температуры сгорания газа. Для этого потребуются новые материалы, имеющие улучшенные кристаллические структуры. Кроме того, потребуется улучшенное покрытие для защиты материалов от воздействия коррозии и высоких температур. После разработки таких материалов будет возможно повышение КПД парогазовых электростанций до 63% к 2020 году»,— говорят в «Сименс».

Помимо парогазовых сейчас существуют парогазовые электростанции с системой интегрированной газификации угля. Из-за особых преимуществ процесса с комбинированным циклом эта технология будет использоваться в будущем не только для природного газа, но также и для таких видов топлива, как уголь, который широко доступен во всем мире, биотопливо и нефтяные остатки, получаемые на нефтеперерабатывающих заводах. Наибольших успехов следует ожидать от парогазовых электростанций с системой интегрированной газификации угля. В Европе эта концепция уже реализована в городе Буггенум (Нидерланды), где электростанция работает на угле, и в городе Пуэрто-Ильяно (Испания), где используется смешанный тип топлива, который производится из угля и нефтяных остатков, получаемых на нефтеперерабатывающих заводах. Прежде всего топливо газифицируется. Затем полученный синтетический газ, главным образом состоящий из смеси оксида углерода и водорода, очищают и используют в газовой турбине с незапущенным паровым генератором для рекуперации теплоты. Иными словами, идет процесс комбинированного цикла. При использовании современной технологии газовых турбин в сочетании с интегрированной газификацией угля можно получить КПД, превышающий 47%.

Когда дело доходит до КПД, важную роль играет комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ): ТЭЦ имеют значительно более высокий энергетический КПД из-за одновременного производства электроэнергии и тепла. В результате получается экономия топлива. Однако ТЭЦ требует наличия сети районной теплоцентрали или промышленного потребителя технологического пара.

ТЭЦ «Руа», построенная компанией «Сименс» в городе Гетеборге (Швеция), имеет эффективность 92,5%. Это означает, что этот город может сократить выбросы углекислого газа на 600 тыс. тонн ежегодно, поскольку теплоэлектростанция дополнительно обеспечивает до 35% от потребностей города Гетеборга в тепле. Другой пример — парогазовая ТЭЦ химического концерна BASF в городе Людвигсхафен, на которой производится технологический пар. В результате эффективность составляет около 90%, при этом ежегодно выбросы CO2 снижаются более чем на 500 тыс. тонн.

Другой способ получения высокого КПД — прямое электрохимическое преобразование химической энергии топлива в электрическую энергию и тепло с помощью топливных элементов. В топливном элементе водород, природный газ или каменноугольный газ взаимодействуют с кислородом или воздухом с целью получения электричества и тепла. Топливные элементы имеют практически нулевой уровень выбросов оксида углерода и двуокиси серы и очень низкий уровень выбросов оксида азота. Объем выбросов углекислого газа зависит от используемого топлива, причем из-за высокого КПД этот уровень является очень низким для природного газа и нулевым при применении водорода. Компания «Сименс» является мировым лидером по твердооксидным топливным элементам. Электростанции на таких элементах имеют КПД около 50% для простых систем и до 70% — для гибридных систем типа твердооксидный элемент/газовая турбина. Полупромышленная модель SOFC-200 имеет электрическую мощность 125 кВт и тепловую — 100 кВт.

Сетевая передача

Однако важно не только произвести, но и передать электроэнергию с минимальными потерями. Для единой национальной энергосети (ЕНЭС) Минэнерго ежегодно устанавливает для ОАО «Федеральная сетевая компания» (ФСК; владеет всеми магистральными сетями РФ) нормативный предел технологических потерь. С каждым годом он уменьшается: в 2008 году норма составляла 5,2%, в этом — уже 5%. «В каждом деле есть свои особенности. Несмотря ни на какие современные методы, доставить по сетям все 100% выработанной генераторами электроэнергии потребителям технологически невозможно,— говорят в ФСК.— При передаче электроэнергии на расстояние возникают неизбежные потери, обусловленные объективными факторами и физическими законами».

Объем фактических потерь электрической энергии в ЕНЭС определяется как разница двух величин — фактического поступления электроэнергии в сети от объектов генерации и ее отпуска из сетей потребителям. То есть если в 2008 году в ЕНЭС поступило 510 528,618 млн кВт ч от выработанной станциями электроэнергии, а российским потребителям и в соседние страны было отпущено 488 662,881 млн кВт ч, то фактические потери составили 21 865,74 млн кВт ч (4,63%).

Можно выделить несколько ключевых направлений в работе по снижению потерь в ЕНЭС — это оптимизация режимов эксплуатации и управления электрическими сетями, снижение расхода электроэнергии на собственные нужды подстанций, внедрение энергосберегающего оборудования в процессе технического перевооружения и модернизации линий и подстанций компании. В основном диспетчер имеет дело с двумя типами оборудования на подстанциях, управление которым позволяет ему выдерживать схемно-режимные параметры сети и оптимизировать потери. Это устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) силовых трансформаторов и средства компенсации реактивной мощности (СКРМ). РПН трансформаторов позволяют регулировать и оптимизировать уровни напряжения в электрической сети и снижать потери на корону.

Корона — негативное явление, возникающее на проводах линий электропередачи и элементах оборудования, находящихся под высоким напряжением. Вызывает до 20% всех потерь электроэнергии в ЕНЭС. Проявляется, в частности, хорошо знакомым «гудением» высоковольтных проводов, которое порождается коронными разрядами.

СКРМ уменьшают потоки реактивной мощности по высоковольтным линиям и тем самым снижают потери в проводах, а также снижают потери на корону, поддерживая оптимальное напряжение в сети.

Реактивная мощность (единица измерения — вар) — часть передаваемой по сетям мощности, которая, в отличие от активной, не преобразуется потребляющей установкой в полезную энергию — механическую, тепловую и пр. — и является одной из основных причин потерь электроэнергии.

В ФСК рассказывают, что на подстанциях 500 кВ «Ново-Анжерская», «Заря» и подстанции 220 кВ «Кирилловская» в течение последнего года введены в эксплуатацию устройства компенсации реактивной мощности — статические тиристорные компенсаторы общей установленной мощностью 350 Мвар, годовой энергосберегающий эффект работы установок за счет снижения потерь на корону оценивается в 3 млн кВт ч.

В 2009 году планируется ввести реакторной мощности на 75% больше, чем в прошлом году, когда суммарная установленная мощность введенных средств компенсации реактивной мощности составила 1285 Мвар. Только за счет оптимизации электрических режимов по реактивной мощности и напряжению в текущем году планируется снизить потери электроэнергии на 164 млн кВт ч.

Отключение оборудования подстанций (как правило, это силовые трансформаторы) применяется при малых нагрузках. В весенне-летний период в не густо населенных районах потребляемая мощность может значительно снижаться, что, соответственно, будет уменьшать нагрузку на сетевое оборудование. В эти моменты становится эффективнее временно вывести в резерв часть трансформаторов, а имеющуюся нагрузку распределить между работающими трансформаторами подстанций.

Периодическое отключение в режимах малых нагрузок трансформаторов, установленных на подстанциях с двумя и более трансформаторами, например, позволит отдельному филиалу ФСК снизить потери электроэнергии на 3 млн кВт ч.

Снижение расхода электроэнергии ФСК на собственные нужды подстанций (до 20% от общего эффекта) подразумевает оптимизацию работы вентиляторов охлаждения трансформаторов и автотрансформаторов, а также средств отопления и освещения зданий управления подстанциями. За счет реализации этих мер в 2009 году в целом по ЕНЭС запланировано уменьшение потерь на 44,8 млн кВт ч.

Модернизация объектов ЕНЭС является одной из задач реализуемой инвестиционной программы компании. Например, в первом квартале 2009 года МЭС Юга завершили монтаж термостойкого провода на линии электропередачи 220 кВ «Афипская»—«Крымская» протяженностью 210 км. Новый провод обладает уникальной конструкцией и не подвержен коррозии и гололедообразованию, что особенно актуально в климатических условиях юга России, для которого характерны резкие перепады температур и высокая влажность. В результате выполненных работ пропускная способность линии была увеличена с 200 до 360 МВт, что не только повысило надежность электроснабжения Абинского, Крымского и Северского районов Краснодарского края, но и позволило снизить на 15% потери передаваемой электроэнергии.

Не так просто создать устойчивые сети, способные быстро и гибко реагировать на изменения нагрузки, говорят в «Сименс». Рост возобновляемых источников электроэнергии и международной торговли электроэнергией — два фактора, которые уже учитываются при строительстве сетей передачи электроэнергии. В связи с этим дальновидные и инновационные концепции передачи электроэнергии и ее распределения сегодня стали более важными, чем когда-либо прежде.

Линии передачи высокого напряжения на постоянном токе (HVDC) уже проверены как жизнеспособное средство транспортировки электроэнергии от производителей до потребителей во всем мире на большие расстояния с минимальными потерями в многочисленных проектах. В целом чем выше напряжение, тем ниже потери. Один из показательных проектов «Сименс» по технологии и работе HVDC — это «электрическое шоссе» между провинцией Юньнань в юго-западном Китае и провинцией Гуандун в южном Китае. Эта дальняя линия передачи будет иметь мощность 5 тыс. МВт при напряжении 800 кВ — причем оно выше, чем у других подобных линий в мире. Когда эта линия начнет работать в середине 2010 года, электроэнергия, производимая несколькими гидроэлектростанциями, будет транспортироваться по ней на линии постоянного тока длиной 1,4 тыс. км (870 миль). Производство электроэнергии на гидроэлектростанциях экономично, безвредно для окружающей среды и не сопровождается выделением углекислого газа. Такая линия HVDC поможет исключить выброс в атмосферу более 30 млн тонн разрушительного для климата углекислого газа в год, который в противном случае производился бы на обычных тепловых электростанциях.

Технология передачи высокого напряжения на постоянном токе будет все чаще использоваться европейскими поставщиками, считают в «Сименс». Она уже используется для передачи электроэнергии по подводному кабелю через пролив Сторебельт между датскими островами Фиония и Зеландия, а также между Нидерландами и Великобританией. Новейшим проектом является прокладка линии передачи между материковой Испанией и Балеарскими островами. Начиная с мая 2011 года подводный кабель HVDC длиной 250 км (155 миль) с напряжением 250 кВ и пропускной способностью 400 МВт обеспечит туристический остров Мальорка электропитанием с территории Испании. Основной целью строительства этой линии является обеспечение пиковой нагрузки в течение основного сезона отпусков. При этом выбросы углекислого газа будут сокращены более чем на 1,2 млн тонн год — столько составили бы выбросы углекислого газа, если бы электроэнергия производилась на месте традиционными тепловыми электростанциями.

HVDC PLUS позволяет транспортировать электроэнергию с малыми потерями от прибрежных парков ветроустановок на побережье и экономически эффективные безвредные для окружающей среды средства передачи электроэнергии к буровым платформам для бурения нефтяных скважин от сети передачи электроэнергии на суше. Эту технологию можно использовать для организации линий передачи на постоянном токе с пропускной способностью во всем диапазоне до 1 тыс. МВт, в котором в настоящее время используются исключительно классические преобразователи с линейной коммутацией.

Кроме того, эта ключевая технология передачи электроэнергии позволяет передавать ее на нефтяные и газовые платформы с береговых систем по подводному кабелю. Таким образом, используя технологию HVDC PLUS, можно устранить выбросы углекислого газа и оксида азота небольшими электростанциями, работающими на морских платформах.

Система сети передачи электроэнергии постоянного тока среднего напряжения Siplink (линия электропередачи «Сименс») обеспечивает гибкую и надежную передачу электроэнергии между различными распределительными сетями. Система Siplink поддерживает взаимный обмен электроэнергией, а также повышает стабильность напряжения и надежность без электрического соединения сетей.

Технология Siplink используется для соединения муниципальных систем передачи электроэнергии, например в Ульме и Новом Ульме в Германии, которые невозможно было соединить, используя старую технологию. Система Siplink повышает стабильность напряжения в обеих сетях и обеспечивает обмен электроэнергией между сетями.

Стоящие на якоре в портах суда могут питаться из системы передачи электроэнергии гавани по Siplink. Обычно бортовые системы передачи электроэнергии питаются от двигателей судна, в которых сжигают неочищенную нефть. Используя систему Siplink, можно подключить 60-герцевую бортовую систему к 50-герцевой сети гавани. Передача электроэнергии на контейнеровоз среднего размера из системы электропитания гавани снижает выбросы углекислого газа на 12,6 метрической тонны в сутки, кроме того, не образуется значительный объем сажи и мелкой пыли, а также значительно снижается уровень шума.

Строим и бережем

Внедрением решений по энергоэффективности занимаются в том числе и подрядчики, которые привлекают энергетические и сетевые компании для строительства и ремонта своих мощностей. Александр Невейко рассказывает, что группа Е4 предлагает комплексные решения по строительству электростанций, а также налаживанию систем энергосбережения. «Есть предприятия, которые специализируются на проведении энергоаудита и энергообследований электростанций и промышленных предприятий. Е4 оценивает имеющийся потенциал энергосбережения, разрабатывает комплекс мер, позволяющих снизить энергозатраты путем оптимизации режимов работы оборудования, внедрения новых энергоэффективных технологий»,— говорит он. В частности, в НПО ЦКТИ создана специальная программа «Дополнительная мощность» по разработке нестандартных малозатратных, быстро реализуемых технических мероприятий, обеспечивающих повышение мощности действующего оборудования. «Наши предприятия внедряют самые передовые экологически чистые технологии водоподготовки. Это испарители мгновенного вскипания, мембранные технологии очистки воды. Наш институт ЦКТИ совместно с партнерами ВТИ, «Медиана-фильтр» ведут работу по оптимизации технологии снижения расхода электроэнергии на собственные нужды, снижению стоков»,— рассказывает господин Невейко.

Большой опыт по модернизации существующих электростанций есть у компании «Сименс». По данным компании, в одной только Германии до 2020 года необходимо заменить электростанции с общей мощностью 40 тыс. МВт, поскольку к этому времени они выработают свой ресурс, составляющий 40 лет. Модернизация существующих электростанций также предлагает много возможностей повышения эффективности работы и снижения уровня воздействий на окружающую среду. На электростанции в городе Фарге (Германия) в результате модернизации был увеличен КПД почти на 3%. В пересчете на полный баланс энергии это означает ежегодное снижение потребления угля на 40 тыс. тонн для производства такого же объема электроэнергии, что приводит к сокращению уровня выбросов CO2 на 100 тыс. тонн в год. Работающие на угле электростанции в 1900 году имели КПД 7%, в то время как современные имеют КПД до 47%. Это означает, что они при производстве 1 кВт ч электроэнергии потребляют 270 г угля и выбрасывают 700 г углекислого газа.

Дальнейшее повышение эффективности зависит прежде всего от двух составляющих — повышения давления и температуры пара и снижения потерь в пароводяном цикле. Предполагается, что к 2020 году коэффициент полезного действия превысит 50%.

Чтобы извлечь максимальную энергию из топлива, сжигаемого на электростанциях, которые работают на ископаемом топливе, эти электростанции должны работать в оптимальной с точки зрения термодинамики точке, кроме того, необходимо избегать ненужных операций пуска и остановки, считают в «Сименс». Решение компании в области информационных технологий Energy Management Suite (набор программ для управления энергией) помогает операторам эксплуатировать электростанции. Входящий в этот набор программный модуль Thermodynamics позволяет с помощью моделирования определить оптимальные параметры работы для обеспечения высокого КПД. Выбор оптимальной стратегии эксплуатации компонентов электростанции и использования диагностических систем и средств раннего обнаружения также повышает надежность электростанции в целом.

Передача электроэнергии на большие расстояния

 

Передача новостей на большие расстояния всего пару сотен лет назад казалась чем-то из области фантастики. Время почтовых голубей, издревле использовавшихся римлянами, персами, и египтянами, прошло после изобретения телеграфной связи. С уверенностью можно сказать, что с передачей энергии на большие дистанции в те же периоды истории дела обстояли гораздо хуже. Проводники с высоким сопротивлением, низкое напряжение, серьезная коммерческая борьба за использование постоянного тока – лишь некоторые из факторов, тормозивших развитие электрических систем и сетей.

Ни для кого не секрет, что энергетику можно назвать достаточно консервативной отраслью. Если сравнивать скорость развития тепло- и электроэнергетики с прогрессом в информационных технологиях за одинаковые периоды времени, то разница чувствуется особенно резко. Окружающие нас сенсорные дисплеи с ультравысоким разрешением, искусственный интеллект, повсеместный и универсальный доступ к сети Интернет заметно развились с начала этого столетия. Однако опоры линий электропередачи (ЛЭП) до сих пор несут на себе тысячи километров сталеалюминиевыех проводов, перегрузки предотвращаются автоматическими выключателями, не сильно изменившимися за последние 70 лет. Суперпроводники, работающие при комнатной температуре, так и остались артефактами на страницах научных журналов и научно-популярной литературы. Чем же вызвана кажущаяся неповоротливость энергетики? Какие факторы на это влияют? И как вообще происходит передача электроэнергии на большие расстояния? Обо всем по порядку.

Как отмечалось выше, исторически сложилось, что изначально сторонников передачи электричества с использованием постоянного тока было больше. Такой перевес не был обусловлен точными расчетами, имела место пропаганда в СМИ и реклама. Почему же сейчас в контексте передачи электроэнергии мы слышим лишь о переменном токе?

Все начинается с электростанций. И для производителей, и для потребителей электроэнергии экономически выгодно иметь один централизованной источник энергии, а не множество разрозненных. От таких центров питания финансово целесообразно прокладывать ЛЭП к потребителям. Как известно, мощность (а в каждый момент времени по проводам передается именно мощность) равна произведению напряжения на ток. Для получения одной и той же мощности можно либо увеличить ток и снизить напряжение, либо сделать наоборот.

Случай с низким напряжением и высоким током очень неэффективный, при такой стратегии потери электроэнергии на длинных ЛЭП могут составлять 60 и более процентов. Случай с высоким напряжением и низким током гораздо более выгодный. При использовании постоянного тока увеличение уровня напряжения составляет серьезную проблему, а вот с переменным этого добиться очень просто. Трансформаторы – это электрические машины, преобразующие электрическую мощность с низкого напряжения в мощность с высоким напряжением. Чем длиннее ЛЭП, тем под более высоким напряжением находятся ее провода. Кроме того, бесчисленное количество заводов и предприятий используют электродвигатели. Двигатели постоянного тока в сравнении с двигателями переменного тока безусловно проигрывают: их КПД ниже, в них больше трущихся частей, их конструкция сложнее. Поэтому большинство электродвигателей в мире – это двигатели переменного тока.

Теперь, зная ответ на вопрос, почему победа осталась за переменным током, можно взглянуть на энергосистему с большей высоты. Различные электростанции в разных уголках планеты производят электричество. Говоря упрощенно, от электрогенераторов на станциях провода тянутся к трансформаторной подстанции (ТП), повышающей напряжение до 35, 110, 330, или 750 кВ. Провода на опорах оттуда тянутся к потребителям – в города и на заводы, где напряжение снова понижается на понижающих ТП до уровня, необходимого потребителю. Это напряжения в 0.4, 1, 10 кВ. Точка, в которой соединяются две и более ЛЭП, называется электрической подстанцией. Таким образом различные электростанции одной страны связываются в одну энергосистему, а энергосистемы разных стран – в объединенную энергосистему.

Трансформатор на подстанции

Передача энергии на большие расстояния – это всегда вопрос компромисса. Что выгоднее: строить новую электростанцию или прокладывать ЛЭП от существующих станций на огромное расстояние? Например, суммарная протяженность ЛЭП в Беларуси на начало 2019 года составляла почти 280 000 км. Где и как строить линию электропередачи? При монтаже опор огромное значение играет рельеф местности и характер грунта, а также наличие населенных пунктов, дорог и деревьев.

От потребляемой мощности зависит напряжение сети. От мощности, напряжения, и, как ни странно, погоды зависит выбор проводов, изоляторов и опор. При строительстве энергоемких предприятий надо решить: питаться от существующей подстанции или монтировать ТП в цеху? В целом при строительстве объектов решается вопрос о категории электроснабжения, то есть нужно ли прокладывать резервные линии и если да, то сколько? Отдельный и сложный вопрос представляет собой устойчивость энергосистемы, то есть ее способность функционировать, когда пропадает питание от электростанций или ЛЭП вследствие запланированного ремонта или аварии.  

Ротор турбогенератора

На данный момент принимается множество решений для модернизации энергосистем, например, привычные провода заменяют на алюминиевые с композитным тросом вместо стального. Это уменьшает провис проводов, увеличивает безопасную зону вокруг ЛЭП и их надежность. В целом же человечество еще не вышло на революционно новые методы производства и передачи электроэнергии.

Пожалуй, можно сказать, что в современном мире электроэнергетика находится на третьем месте после воздуха и воды. Миллионы километров проводов и кабелей смонтированы, огромные генераторы (диаметром до 16 метров) прочно закреплены на земной поверхности, это и объясняет вынужденную неповоротливость и стратегическую важность высоковольтной электроэнергетики.

Для обслуживания и проверки ЛЭП и электрических сетей существуют лаборатории электрофизических измерений. К таким, например, относится компания «ТМРсила-М», имеющая многолетний опыт работы в энергетике и сформированная из опытных специалистов.

 

Оценка эффективности использования накопителей энергии

Отрицательной стороной такого режима работы генераторов является пониженный коэффициент полезного действия (КПД) и избыточный перевод энергии первоисточника (топлива для ТЭС и АЭС) в тепло. В случае утилизации произведенной тепловой энергии для нужд систем отопления и горячего водоснабжения эффективность использования энергии топлива повышается, но часть энергии всё равно рассеивается в виде тепла в окружающую среду.

Оптимальным графиком производства электроэнергии для ТЭС, ГЭС и АЭС является равномерный режим. При таком графике имеется возможность включить в работу требуемое количество генераторных установок в режиме максимального для них КПД.

Для ветровых и солнечных электростанций задача совмещения режимов производства электроэнергии и ее потребления сложнее, поскольку кроме неравномерности и стохастичности мощности нагрузки работа генераторов зависит от непостоянных погодных условий.

Для решения задач совмещения неравномерности мощности нагрузок и генерирования электроэнергии используются накопители энергии. Для ВЭС и СЭС системы накопления энергии учитываются в проекте и строительстве электростанций с самого начала их жизненного цикла. В ГЭС также используется накопитель энергии, которым является водохранилище перед плотиной. Но этот накопитель скорее следует отнести к хранилищу первоисточника энергии, аналогично резервуару с топливом для ТЭС, поскольку потенциальная энергия уровня воды переходит в электрическую только после преобразователя (турбины).

При передаче электроэнергии от электростанции до потребителей используется энергосеть, в которой происходит ее ступенчатое преобразование (повышение и понижение напряжения) и распределение по отходящим ветвям до конечных потребителей. Неравномерность нагрузки учитывается и при распределении энергии: при проектировании электрических сетей и станций закладывается избыточная мощность трансформаторов и сечение проводов, чтобы обеспечить пики нагрузки. Но при этом коэффициент использования этого оборудования составляет, как и для электростанций, в среднем около 50 %.

Идея использования накопителей энергии на различных уровнях распределительных сетей — от генератора до конечного потребителя — не нова и есть проекты, реализующие ее. Как сказано было выше, СЭС и ВЭС изначально оборудуются накопителями, а в крупных системах электроснабжения используются гидроаккумулирующие электростанции. Об использовании накопителей у конечных потребителей достаточно много звучит обсуждений, выпущено публикаций, выполнено проектов и проведено исследовательских работ [2, 3, 4]. Но до реализации доведено их очень малое число. Причина — высокая стоимость установок по сравнению с получаемым положительным эффектом.
В настоящее время использование энергетических систем, которые были спроектированы в прошлом веке для меньших нагрузок, повышает интерес к использованию накопителей энергии, которые позволили бы снизить пиковые значения мощности и использовать имеющиеся ресурсы электрооборудования. То есть если изначально эффективность применения накопителей рассчитывалась исходя из повышения КПД генераторных электроустановок и снижения потерь при транзите электроэнергии, то в условиях повышающегося дефицита мощности в свете роста нагрузки применение накопителей следует сравнивать со строительством и эксплуатацией нового источника электроэнергии.

Также следует учесть тенденцию развития возобновляемых источников энергии, таких как ветровые и солнечные, объединение которых с традиционными электростанциями в единую энергетическую систему без накопителей энергии невозможно. Актуальным в этом случае является использование возобновляемых источников энергии на удаленных объектах нефтяного комплекса в качестве основного или резервного, параллельно традиционной системе электроснабжения, что невозможно реализовать без накопителей.

В свете этого возникает задача оценки эффективности применения накопителей энергии на объектах нефтяного комплекса в зависимости от таких параметров, как характер нагрузки, вид источников электроэнергии и режим их работы, параметры системы электроснабжения, требования к надежности, качеству и бесперебойности электроснабжения.
Далее рассматривается использование накопителей энергии у потребителей вне зависимости от типа источников — стабильного или нестабильного во времени.

Бесконтактная передача электричества по шинопроводу

Управляемая бесконтактная передача электрической энергии на значительные расстояния давно волнует умы ученых и инженеров.

В настоящее время бесконтактные системы передачи электроэнергии разработаны на основе использования:

· Электромагнитной индукции.
· Ультразвука.
· Электростатической индукции.
· Микроволнового излучения.
· Лазерного излучения.
· Электропроводности земного шара и ионизированных слоёв атмосферы.

Все перечисленные системы передачи были опробованы и реализованы в экспериментальных образцах. У каждой из них имеются существенные ограничения, связанные с физическими процессами, лежащими в основе беспроводной передачи энергии.

Базовыми ограничениями явились:

· Малые расстояния между приёмной и передающей антенной; с увеличением расстояние КПД падает экспоненциально.
· Опасность энергетических лучей для человека, животных, окружающей среды.
· Низкое КПД.
· Необходимость «прямой видимости» между антеннами передатчика и приёмника.
· «Проклятие» антенны большого диаметра.
· Непосильные затраты на сооружение башен для достижения ионизированных слоев атмосферы.

Тем не менее, развитие промышленного производства требовало создание подвижных платформ, подъемников, кранов, робототехнических транспортных систем с электропитанием без проводов.

Троллейные шинопроводы позволили решить многие задачи, но при этом питание осуществлялось по схеме — шинопровод — контактная тележка (токосъёмник) — кабель от контактной тележки до электропотребителя мобильного промышленного устройства.

Троллейные шинопроводы подвержены загрязнениям, трущиеся элементы (щетки тележки и шины, соприкасающиеся с ними), изнашиваются.

Необходимость принятия мер для обеспечения электробезопасности персонала от поражения электрическим током заставляет размещать троллейные шинопроводы на относительно большой высоте или в других недоступных местах. Соответственно, грузы часто приходится также перемещать на высоте. Это создает опасность для персонала получить физические травмы от упавших сверху грузов.

На контактных троллейных шинах сложно создать схему путей с гибкой геометрией, которую можно перестраивать при изменении производственных маршрутов, используемых при изготовлении деталей и узлов, переносе мест их хранения.

Контактные троллейные шины также опасны в атмосферах, содержащих горючие газы и взрывоопасные соединения: трудно полностью исключить образование искр между поверхностью шин и движущимся токосъёмником.

Дополнительной проблемой является скорость движения (и ускорение) токосъемника. При увеличении скорости движения, росте ускорений при разгоне или торможении тележки, требования к механической прочности неподвижных и подвижных элементов троллейного шинопровода (а, значит, и их вес) быстро растут, а время до ремонта (замены) падает.

В ответ на потребности в бесконтактной системе передачи электроэнергии корпорация Vahle GmbH & Co (далее Корпорация) создала линейку продуктов CPS^® — Contactless Power Systems, бесконтактная система питания, БСП.

В действительности это не только бесконтактная система передачи электроэнергии, но бесконтактная система передачи данных о координатах, скорости, ускорении, состоянии мобильного устройства. Если её интегрировать с модулями программного обеспечения автоматизации промышленного предприятия, например, MES — системой, и (или) системой управления робототехническими средствами, получится «замкнутое» решение, включённое в среду автоматизации предприятия.

В данной статье мы рассмотрим решения по бесконтактному питанию, и решения по передаче данных в рамках CPS.

БСП не следует путать, например, с линейными двигателями, устанавливаемыми на монорельсовом транспорте. Задача БСП — доставить энергию на «борт» мобильного устройства. Там эта энергия будет использована по желанию разработчиков мобильного устройства — для зарядки аккумуляторов, снабжения энергией микропроцессоров, приведение в движение колес или сервоприводов и т.п.

Для реализации БСП был выбран наиболее изученный и проверенный механизм передачи электроэнергии — электромагнитная индукция.

Для справки: Андре Мари Ампер в 1820 году открыл закон (сейчас он носит его имя), что электрический ток приводит к возникновению электрического поля, в 1831 году Майкл Фарадей сформулировал закон индукции, важнейший закон электромагнетизма.

Электрический трансформатор является самым первым устройством для беспроводной передачи энергии, рисунок 1, А). Первичная и вторичная обмотки трансформатора не связаны напрямую, но для эффективной передачи индуцированного магнитного поля используется замкнутый магнитопровод.

Рисунок 1. Беспроводная передачи электроэнергии в трансформаторах с замкнутым магнитопроводом, А), и незамкнутым магнитопроводом Б), приёмные катушки (секции захвата) Vahle GmbH & Co U — образной формы, В), E — образной формы, Г), плоской формы, Д).

Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения.

Но если отказаться от замкнутого магнитопровода, то электродинамическое индукционное взаимодействие двух обмоток сохранится. При этом КПД передачи энергии от первичной обмотки ко вторичной будет ниже.

Тем не менее, бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щёток, являющиеся примерами использования принципа электродинамической индукции, используются уже несколько десятков лет. Эта техника, в частности, включена в состав стандарта беспроводной зарядки Qi. Корпорация Vahle сумела разработать решения для использования трансформаторов с открытым магнитопроводом для использования бесконтактной передачи данных в промышленных целях.

Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приёмник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.

Использование резонансной индукции увеличивает расстояние, на котором два контура — передающий и принимающий, могут взаимодействовать с приемлемой энергетической эффективностью. При резонансной индукции передатчик и приёмник должны быть настроены на одну частоту.

КПД можно поднять за счет изменения формы волны входного переменного тока, т.е. использовать несинусоидальные волны.

Большое значение имеет форма приёмной и передающей катушек.

Корпорация Vahle в качестве передающей катушки использует кабель (шину) с множеством изолированных проводников и приемник (секцию захвата, pick — up) с незамкнутым магнитопроводом, рисунок 1, Б).

Шина укладывается вдоль пути мобильного потребителя энергии.

Приёмные катушки могут иметь U — образную форму, рисунок 1, В), E — образную форму, рисунок 1, Г), плоскую форму, рисунок, 1, Д).

Приёмные катушки в составе захвата устанавливаются на мобильном потребителе.

Основной недостаток бесконтактной передачи электроэнергии за чёт электромагнитной индукции — резкое падение КПД при увеличении воздушного зазора в магнитопроводе, на котором размещены первичная и вторичная обмотки. За счет выравнивания поверхности пола и стен в производственном помещении или поверхности производственного двора можно обеспечить небольшой воздушный зазор.

Корпорация по понятным причинам не раскрывает детального устройство своей системы бесконтактной передачи электроэнергии, но общие принципы её работы понятны из предыдущих описаний. Корпорация утверждает, что КПД её БСП достигает 70%. Ниже мы рассмотрим параметры, характеризующие основные возможности CPS Vahle.

Как работает передача электроэнергии в CPS^® — БСП

Основные конструктивные элементы CPS показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. CPS^® — БСП для бесконтактных подвесных дорог.

Для подвесных бесконтактных подвесных дорог параллельно с несущими рельсами мобильной кабины (платформы) устанавливается изолированная линия (шина) — первичная «растянутая катушка».

На мобильной платформе устанавливается секция захвата U — образной или E — образной формы.

На линию подается переменное напряжение частотой 20 кГц. Это напряжение получается за счёт использования частотного преобразователя, входящего в состав первичного инвертора, на вход которому подается трёхфазное напряжение 400 В частотой 50 Гц, см. рисунок 2.

Фрагмент индуктивной подвесной дороги показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Фрагмент бесконтактной (индуктивной подвесной дороги.

Инвертор

Стойка инвертора показана на рисунке 4.

В стойке инвертора устанавливаются:

· Компенсатор. Обеспечивает согласование нагрузки (линейную компенсацию) от мобильных потребителей с мощностью, выдаваемой инвертором.
· Развязывающий трансформатор.
· Инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный с частотой 20 кГц.
· Выпрямитель, преобразующий в постоянный ток трехфазный переменный ток 50 Гц, 500 В.
· Сетевой фильтр, защищающий установленные за ним устройства от бросков напряжения и «вредных» гармоник, которые могут присутствовать во входном питании.

Рисунок 4. Первичный инвертор VAHLE 45 кВА.

Существуют два исполнения инверторов:

· CPS-P1 — 10, выходная мощность Pn — 10 кВА.
· CPS-P1 — 45, выходная мощность Pn — 45 кВА.

В стойке в зависимости от потребностей заказчика, устанавливаются все остальные стационарные компоненты, например, сетевой фильтр, трансформатор развязки, компенсационные блоки, а также, если необходимо, устройства отключения и подключения линейных секций первичной линии.

При температуре воздуха окружающей среды до 35 ^оС стойка с оборудованием, входящим в состав первичного инвертора, охлаждается встроенными вентиляторами. В тяжелых условиях эксплуатации может понадобиться замкнутый бокс — кондиционер, который либо обеспечивает заданные температурные границы, обеспечивающие работу инвертора, или, дополнительно к этому, изолирует оборудование инвертора от вредных химических соединений, присутствующих в окружающей среде.

Выбранные напряжения первичной линии, частота 20 кГц и формы захватов обеспечивают минимизацию потерь электроэнергии при её бесконтактной передаче.

Оборудование имеет все необходимые сертификаты различных электротехнических союзов, подтверждающие её электробезопасность и отсутствие вредного воздействия на человека и окружающую среду.

Применение напольных транспортеров

Если U — образные и E — захваты применяются для бесконтактных подвесных дорог, то для роботизированных тележек — транспортеров, роботизированных транспортных систем (РТС), предпочтительнее использовать плоские захваты.

В этом случае первичная линия CPS размещается ниже поверхности пола и не препятствует перемещению другой техники и персонала. Кроме того, её трудно повредить, она не подвержена износу, вредным воздействиям и пр., что резко повышает срок её службы по сравнению с контактными троллейными шинопроводами.

На рисунке 5 показан плоский захват и сенсор отслеживания маршрута, расположенные под РТС, выполненные на одной установочной панели.

Рисунок 5. Плоский захват и сенсор отслеживания маршрута, расположенные под РТС.

Условия прокладки первичной линии CPS показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Условия прокладки первичной линии CPS под поверхностью пола для РТС с плоским захватом.

CPS Vahle позволяет создать для РТС транспортные магистрали, содержащие стрелки, участки подъёма и спуска, переезды через секторы, температурные компенсационные зазоры в полу и т.п. Отдельные участки пути могут отключаться, например, для проведения технического обслуживания. Пример трассы для роботизированных транспортных средств показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Пример трассы для роботизированных транспортных средств.

РТС, оборудованные бесконтактной системой электропитания, используются на сотнях предприятий во всём мире. Первичная линия укладывается по трассе в бетонный пол, так что другие транспортные средства, например, автопогрузчики могут свободно пересекать её. Можно организовать питание стрелок и отключение отдельных участков. Несколько РТС могут передвигаться по одному отрезку, при этом система обеспечит их бесперебойное электропитание необходимой мощности.

Для электропитания двигателей постоянного тока с преобразователем частоты переменный ток, снятый с захвата, преобразуется в постоянный. Также вырабатывается низковольтное постоянное напряжение для питания сенсоров, используемых для управления движением и для блоков передачи и приёма данных, установленных на РТС. Если на РТС установлены аккумуляторные батареи, то они могут подзаряжаться как во время движения, так и на стоянках.

Отсутствие контакта с токопроводом позволяет развивать тележкам скорость до 12 м/сек и не ограничивает их ускорение.

Системы захвата

Секция захвата обеспечивает индуктивный съем напряжения с первичной линии. Полный перечень выпускаемых корпорацией секций захвата можно найти в соответствующих каталогах. Здесь мы приведём описания нескольких характерных моделей.

Плоские захваты для напольных транспортеров

CPS -PS 08

В зависимости от области применения могут быть выбраны соответствующие виды захватов.

На рисунке 8 показан захват CPS -PS 08.

Рисунок 8. Плоский захват CPS -PS 08.

Захват устойчив к коротким замыканиям и перегрузкам.

Размеры — 210×310×98 мм.

Выходная мощность — 500 Вт.

Выходное напряжение — 24 В постоянного тока или 24 — 27 В постоянного тока для заряда аккумуляторной батареи.

CPS -PS 18

На рисунке 9 показан захват CPS -PS 18.

Рисунок 9. Плоский захват CPS -PS 18.

Система захвата плоской конструкции. Электронная аппаратура регулирования встроена. Может использоваться, например, для установки на РТС.

Размеры — 360×757×80 мм.

Выходная мощность 2000 Вт.

Выходное напряжение 560 В постоянного тока + 24 В постоянного тока.

Для обслуживания больших мощностей можно устанавливать на одну тележку до трех таких систем захвата.

CPS -PS 19 kompakt

На рисунке 10 показан захват CPS -PS 19 kompakt.

Рисунок 10. захват CPS -PS 19 kompakt.

Мощный компактный захват.

Удобен в применении в ограниченном пространстве.

Размеры — 360×455×185 мм.

Выходная мощность — 3000 Вт.

Выходное напряжение — 560 В постоянного тока + 24 В постоянного тока.

Для обслуживания больших мощностей можно устанавливать на одну тележку до трех таких систем захвата.

U-образные системы захвата для подвесных дорог и других специальных применений

Захваты U — образной формы охватывают первичную линию. Это позволяет повысить КПД устройства и снизить мощность электромагнитных помех.

CPS — PU 11

На рисунке 11 показан захват CPS — PU 11.

Рисунок 11. Захват CPS — PU 11.

Захват предназначен для работы с электронной аппаратурой внешних производителей.

Несколько захватов могут быть соединены в группу для получения большей мощности.

Размеры — 96×150×73 мм.

Выходная мощность — 900 Вт.

Выходное напряжение — 80 В переменного тока, не регулируется.

CPS — PU 15

На рисунке 12 показан захват CPS — PU 15.

Захват поставляется со встроенной электронной аппаратурой регулирования.

Рисунок 12. Захват CPS — PU 15.

Несколько захватов могут быть соединены в группу для получения большей мощности.

Размеры — 210×110×13 мм.

Выходная мощность — 900 Вт.

Выходное напряжение — 560 — 680 постоянного тока + 24 В постоянного тока.

E-образные захваты для высоких нагрузок

Е — образные захваты сконструированы для приёма высоких мощностей с напольных первичных линий. Применяются в транспортных системах обслуживания складов и мощных крановых установках.

Захват Pick — Up CPS -PU 22

На рисунке 13 показан захват Pick — Up CPS -PU 22 и электронный блок для управления им.

Рисунок 13. Захват Pick — Up CPS -PU 22 и электронная аппаратура управления захватом.

Захват применяется со специальной электронной аппаратурой регулирования, рисунок 13. Она подает электропитание на мобильные электроприемники, обслуживает вентиляторы, обеспечивает питание низковольтных устройств и сенсоров. К ней можно подключить до двух захватов.

Размеры захвата — 420×250×322 мм.

Выходная мощность 22 — 40 кВт.

Выходное напряжение — 560 — 680 В постоянного тока + 24 В постоянного тока или 288 В постоянного тока + 24 В постоянного тока.

На рисунке 14 показан пример «чистого» помещения с установленным подъёмником, для энергоснабжения которого используется решение корпорации VAHLE.

Рисунок 14. Пример «чистого» помещения с установленным подъёмником, для энергоснабжения которого используется решение корпорации VAHLE.

20.07.2017

потеряно в передаче: сколько электроэнергии пропадает между электростанцией и вашей вилкой?

Сколько энергии теряется в пути, когда электричество передается от электростанции к розетке в вашем доме? Этот вопрос исходит от Джима Барлоу, архитектора из Вайоминга, в рамках нашего проекта IE Questions.

Чтобы найти ответ, нам нужно разбить его шаг за шагом: сначала превратить сырье в электричество, затем переместить это электричество в ваш район и, наконец, направить это электричество через стены вашего дома в вашу розетку.

Шаг 1. Производство электроэнергии

Электростанции — угольные, газовые, нефтяные или атомные — работают по тому же общему принципу. Плотный материал сжигается для выделения тепла, которое превращает воду в пар, который вращает турбину, вырабатывающую электричество. Термодинамические пределы этого процесса («Черт возьми, эта возрастающая энтропия!») Означают, что только две трети энергии сырья действительно попадает в сеть в виде электричества.

Потери энергии на электростанциях: около 65%, или 22 квадриллиона БТЕ в США в 2013 г.

На этом графике показана тепловая эффективность различных типов электростанций. Все типы станций имеют примерно одинаковую эффективность, за исключением природного газа, эффективность которого в последние годы улучшилась за счет добавления станций комбинированного цикла. (Линия эффективности использования угля почти идентична ядерной энергии и выделена фиолетовым цветом).

Шаг 2: Перенос электроэнергии — передача и распределение

Большинство из нас живет не рядом с электростанцией. Так что нам нужно как-то подвести электричество в наши дома. Это похоже на работу для линий электропередач.

Трансмиссия

Во-первых, электричество передается по высоковольтным линиям на большие расстояния, часто на многие мили по стране. Напряжение в этих линиях может составлять сотни тысяч вольт. Не стоит связываться с этими строками.

Почему такое напряжение? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно обратиться к физике средней школы, а именно к закону Ома. Закон Ома описывает, как связаны количество мощности в электричестве и его характеристики — напряжение, ток и сопротивление. Это сводится к следующему: потери в масштабе квадратов тока провода. Этот квадратный коэффициент означает, что крошечный скачок тока может привести к значительному увеличению потерь. Поддержание высокого напряжения позволяет нам поддерживать низкий ток и потери. (Для ботаников-историков: вот почему AC выиграл битву течений.Спасибо, Джордж Вестингауз.)

Jordan Wirfs-Brock / Inside Energy

Провисание линий электропередач фактически является ограничивающим фактором в их конструкции. Инженеры должны следить за тем, чтобы они не подходили слишком близко к деревьям и зданиям.

Когда это электричество пропадает, куда оно девается? Высокая температура. Электроны, движущиеся вперед и назад, сталкиваются друг с другом, и эти столкновения нагревают линии электропередач и воздух вокруг них.

Вы действительно можете услышать эти потери: этот треск, когда вы стоите под опорой передачи, теряется электричество.Вы также можете увидеть потери: обратите внимание, как линии электропередач провисают посередине? Отчасти это серьезность. Но остальное — электрические потери. Тепло, как и тепло от потери электричества, заставляет металлические линии электропередач расширяться. Когда они это делают, они провисают. Линии электропередач в жаркие дни становятся слабее и негерметичнее.

Распределение

Высоковольтные линии электропередачи большие, высокие, дорогие и потенциально опасные, поэтому мы используем их только тогда, когда электричество необходимо для транспортировки на большие расстояния. На подстанциях, расположенных поблизости от вашего района, электричество подается на более мелкие линии электропередач с более низким напряжением, например, на деревянных столбах.Сейчас мы говорим о десятках тысяч вольт. Затем трансформаторы (вещи в форме банок, сидящие на этих столбах) еще больше понижают напряжение до 120 вольт, чтобы сделать вход в ваш дом безопасным.

Как правило, меньшие линии электропередач означают большие относительные потери. Таким образом, даже несмотря на то, что электричество может перемещаться по высоковольтным линиям намного дальше — на десятки или сотни миль — потери низкие, около двух процентов. И хотя ваша электроэнергия может проходить несколько миль или меньше по низковольтным распределительным линиям, потери высоки, около четырех процентов.

Потери энергии при передаче и распределении: Около 6% — 2% при передаче и 4% при распределении — или 69 триллионов БТЕ в США в 2013 г.

Jordan Wirfs-Brock

На этом графике показан средний процент потерь электроэнергии во время передачи и распределения по штатам с 1990 по 2013 год. За исключением Айдахо, штаты с самыми низкими потерями — все сельские, а штаты с самые высокие потери все густо заселены.

Интересный факт: потери при передаче и распределении, как правило, ниже в сельских штатах, таких как Вайоминг и Северная Дакота.Почему? В менее густонаселенных штатах больше линий передачи высокого напряжения с низкими потерями и меньше линий распределения с низким напряжением и большими потерями. Изучите потери при передаче и распределении в вашем штате на нашей интерактивной графике.

Потери при передаче и распределении также различаются от страны к стране. В некоторых странах, например в Индии, убытки достигают 30 процентов. Часто это происходит из-за похитителей электроэнергии.

Шаг 3. Использование электричества в доме

Коммунальные предприятия тщательно измеряют потери от электростанции до вашего счетчика.Им приходится это делать, потому что каждый потерянный кусок съедает их прибыль. Но как только вы купили электричество и оно поступает в ваш дом, мы теряем информацию о потерях.

Ваш дом и провода внутри ваших стен представляют собой своего рода черный ящик, и подсчитать, сколько электричества теряется — электричества, за которое вы уже заплатили, — сложно. Если вы хотите узнать, сколько электричества теряется в вашем доме, вам нужно либо оценить его, используя электрическую схему вашего дома, либо измерить его, поставив счетчики на все свои приборы.Вы помешаны на энергии, пытаясь это сделать? Сообщите нам, мы будем рады услышать от вас!

Потеря энергии в проводке внутри ваших стен: мы не знаем! Это могло быть незначительно, а могло быть еще несколько процентов.

Будущее потерь при передаче и распределении

Сетевые инженеры работают над такими технологиями, как сверхпроводящие материалы, которые могут существенно снизить потери при передаче и распределении электроэнергии до нуля. Но на данный момент стоимость этих технологий намного выше, чем деньги, потерянные коммунальными предприятиями из-за их существующих горячих, негерметичных линий электропередач.

Более экономичное решение для снижения потерь при передаче и распределении — это изменить способ и время использования энергии. Потери — это не постоянная величина. Они меняются каждую секунду в зависимости от погоды и энергопотребления. Когда спрос высок, например, когда мы все запускаем наши кондиционеры в жаркие летние дни, потери выше. Когда спрос невелик, например, посреди ночи, потери меньше. Коммунальные предприятия экспериментируют со способами более равномерного распределения электроэнергии, чтобы минимизировать потери.

Тот же принцип применим к вашему дому, который по сути является вашей личной сеткой. Вы можете уменьшить потери в своем доме, равномерно распределяя потребление электроэнергии в течение дня, вместо того, чтобы запускать все свои приборы сразу.

Суммирование убытков

• При производстве электроэнергии мы потеряли 22 квадриллиона британских тепловых единиц на угольных, газовых, атомных и нефтяных электростанциях в США в 2013 году — это больше, чем энергия всего бензина, который мы потребляем в данном году.
• Перенося электричество с заводов в дома и на предприятия по сети передачи и распределения, мы потеряли 69 триллионов британских тепловых единиц в 2013 году — это примерно то, сколько энергии американцы тратят на сушку нашей одежды каждый год.

Есть идея по теме энергетики, которая могла бы быть интересной в классе? Отправьте его ниже.

Насколько велики потери в ЛЭП?

Электроэнергия должна передаваться от крупных электростанций потребителям по разветвленным сетям.Передача на большие расстояния создает потери мощности. Большая часть потерь энергии происходит из-за эффекта Джоуля в трансформаторах и линиях электропередач. В проводниках энергия теряется в виде тепла.

Рассматривая основные части типичной сети передачи и распределения, вот средние значения потерь мощности на разных этапах *:

• 1-2% — Повышающий трансформатор от генератора к ЛЭП
• 2-4% — Линия передачи
• 1-2% — Понижающий трансформатор от линии электропередачи к сети распределения
• 4-6% — Трансформаторы и кабели распределительных сетей

Общие потери между электростанцией и потребителями тогда находятся в диапазоне от 8 до 15%.

Это самая большая проблема?

Не следует путать с КПД электростанций , таких как атомные, угольные или газовые турбины. Эти технологии основаны на термодинамическом цикле, эффективность которого составляет порядка 35% . Это означает, что при сжигании угля, например, будет выделяться тепло, которое будет преобразовано в механическую энергию, а затем в электричество.

Глобальное преобразование представлено на рисунке ниже, где «единицы» представляют собой единицы энергии.

Из оценки энергопотребления можно сделать вывод, что 100 единиц, сэкономленных дома, могут сэкономить 300 единиц, сэкономленных на электростанции. Это должно стать настоящим стимулом к ​​экономии энергии для более зеленой окружающей среды.

Не путайте тепло и электричество!

Однако важно отметить, что энергоблоки, сэкономленные на электростанции, представляют собой единицы тепла, а не единицы электроэнергии. Каждая единица, сэкономленная дома, представляет собой одну единицу электроэнергии, сэкономленной на электростанции, в дополнение к энергии, сэкономленной на линии.Как упоминалось ранее, это составляет от 8 до 15% произведенной электроэнергии.

В остальном, эта энергетическая оценка относится к электростанциям, сжигающим топливо, а не к возобновляемым источникам энергии, таким как гидроэлектроэнергия или ветряные турбины. Эти технологии имеют гораздо лучшую эффективность и не выделяют тепло для преобразования энергии. 100 единиц, сохраненных дома, представляют собой намного меньше, чем 300 единиц, сэкономленных на электростанции.

Но это не повод тратить электроэнергию зря!

* Ссылка: документ МЭК «Эффективная передача и распределение электроэнергии» (2007)

Мы подсчитали выбросы от потерь электроэнергии в электросети — в мире это много

Когда речь идет о стратегиях замедления последствий изменения климата, идея сокращения потерь энергии редко упоминается.Но в нашей недавней статье «Nature Climate Change» утверждается, что сокращение потерь в энергетическом секторе, особенно с упором на энергосистему, может стать решающим рычагом для снижения национальных выбросов.

Неэффективная глобальная инфраструктура передачи и распределения электроэнергии требует дополнительной выработки электроэнергии для компенсации потерь. А страны, на долю которых приходится значительная доля производства ископаемого топлива и неэффективная сетевая инфраструктура, или их комбинация, являются основными виновниками того, что мы называем «компенсационными выбросами».«Эти выбросы являются результатом дополнительной электроэнергии — часто вырабатываемой из ископаемого топлива — необходимой для компенсации потерь в сети.

Мы подсчитали, что во всем мире компенсационные выбросы составляют почти миллиард метрических тонн эквивалента углекислого газа в год в том же диапазоне, что и годовые выбросы от тяжелых грузовиков или всей химической промышленности. Изучая инфраструктуры передачи и распределения в 142 странах, мы также определили, что примерно 500 миллионов метрических тонн углекислого газа можно сократить за счет повышения эффективности глобальной сети.

Как мы получили числа

Электроэнергия обычно сначала передается по сети передачи на большие расстояния, а затем передается в распределительную сеть с более низким напряжением конечным потребителям. aurielaki / Shutterstock.com

Большая часть электроэнергии вырабатывается на центральных электростанциях и передается по высоковольтным линиям электропередачи на большие расстояния, а затем отправляется на локальный уровень по так называемой распределительной сети — полюсам и проводам, соединяющим конечных потребителей.Когда мощность проходит через эту сеть, сопротивление металлических проводов вызывает нагрев. Это приводит к тому, что часть энергии топлива, используемого для производства электричества, теряется при транспортировке.

Для количественной оценки выбросов парниковых газов в результате этого процесса мы использовали метод, называемый оценкой жизненного цикла. Наш анализ выходит за рамки сжигания только на электростанции. Мы количественно оценили глобальные выбросы от колыбели до могилы: от добычи топлива до сжигания на электростанции, а затем от передачи и распределения потребителю.Наши расчеты основаны на структуре электроэнергии и потерях при передаче и распределении, уникальных для каждой страны.

Наше исследование показало, что потери сильно различаются в зависимости от страны. В 2016 году совокупные потери при передаче и распределении достигли 19% в Индии и 16% в Бразилии. Но в Гаити, Ираке и Республике Конго их было более 50%. Это означает, что только половина произведенной электроэнергии была доставлена ​​потребителям или была выставлена ​​потребителям как полезная мощность — другая половина была потеряна в пути.

В более развитых странах потери были ниже: в то время как в США в 2016 году потери составили 6%, в Германии — 5%, а в Сингапуре — 2%. Эти цифры демонстрируют, что передача энергии на короткие расстояния в крупные населенные пункты более эффективна, чем передача энергии на большие расстояния ко многим рассредоточенным сельским потребителям.

Половины потерь и связанных с ними выбросов можно избежать

Полученные выбросы реальны, как и решения.Но устранение факторов, снижающих потери при передаче и распределении, не обязательно является простой задачей.

Технические потери проще всего устранить путем развертывания более передовых технологий и модернизации существующей инфраструктуры как для передачи электроэнергии на большие расстояния, так и для распределения на местном уровне. Улучшения в передаче могут быть достигнуты, например, путем замены неэффективных проводов, использования сверхпроводников, которые уменьшают сопротивление в проводах и, следовательно, потери энергии, а также управляя потоком мощности и постоянным током высокого напряжения.

Столб силы в Нью-Дели, Индия. Изменение конфигурации проводки в местной электросети — один из способов уменьшить потери из-за неэффективной передачи электроэнергии. Кража мощности — большой вклад в потерю энергии. AP Photo / Раджеш Кумар Сингх

Точно так же улучшения в распределении могут быть достигнуты за счет лучшего управления нагрузкой и распределением мощности, а также конфигурацией линий распределения. Инновации, такие как внедрение цифровых технологий для маршрутизации потоков мощности, также могут сыграть свою роль.

Решения для нетехнических потерь являются более сложными и могут лишь частично сократить связанные выбросы. Причины высоких потерь разнообразны и могут возникать, например, в экстремальных явлениях, таких как ураганы, обрушившиеся на Гаити и Пуэрто-Рико в последние годы, или война, или сочетание слабого управления, коррупции и бедности, как это наблюдается в Индии. . Для любого типа потерь страны с большой долей производства ископаемого топлива и наиболее неэффективной сетевой инфраструктурой могут сократить наибольшие выбросы и получить наибольшие экологические выгоды от сокращения потерь при передаче и распределении.

Воздействие на климат

Хотя в нашей статье освещается несколько важных технологических решений — счетчики с защитой от несанкционированного доступа, управленческие решения, такие как инспекция и мониторинг, а также реструктуризация прав собственности и регулирования энергосистемы, — это, безусловно, лишь небольшие строительные блоки, которые помогают странам достичь устойчивого пути.

Удивительно, но очень немногие страны включили потери при передаче и распределении в свои национальные обязательства по сокращению выбросов парниковых газов в рамках Парижского соглашения 2015 года.Наш анализ показал, что только 32 страны упоминают эффективность сети, а 110 упоминают какую-либо форму возобновляемой энергии. Из-за очень дырявой сети часть денег, потраченных на добавление возобновляемых источников энергии, будет потрачена впустую.

Поскольку страны планируют усилить климатические амбиции в 2020 году, декарбонизация энергетического сектора будет играть жизненно важную роль. Мы считаем, что объединение низкоуглеродной электроэнергии с эффективной сетью обеспечит сектор чистой энергетики, который улучшит национальную инфраструктуру и минимизирует ущерб для климата в будущем.

[ Понравилось то, что вы прочитали? Хочу больше? Подпишитесь на ежедневную рассылку The Conversation. ]

Об электроэнергетической системе США и ее влиянии на окружающую среду | Энергия и окружающая среда

Электроэнергетическая система США

Сегодняшняя электроэнергетическая система США представляет собой сложную сеть, состоящую из электростанций, линий передачи и распределения, а также конечных потребителей электроэнергии. Сегодня большинство американцев получают электроэнергию от централизованных электростанций, которые используют широкий спектр энергоресурсов для производства электроэнергии, например уголь, природный газ, ядерную энергию или возобновляемые ресурсы, такие как вода, ветер или солнечная энергия.Эту сложную систему генерации, доставки и конечных пользователей часто называют электросетью .

Используйте схему ниже, чтобы узнать больше об электросети. Щелкните каждый компонент, чтобы получить обзор со ссылками на более подробную информацию.

Посмотреть текстовую версию этой схемы ►

Начало страницы

Источник: Управление энергетической информации США, Обозреватель данных по электроэнергии. Эти данные были доступны в декабре 2017 года.Как и где вырабатывается электроэнергия

Электроэнергия в Соединенных Штатах вырабатывается с использованием различных ресурсов. Три наиболее распространенных — это природный газ, уголь и атомная энергия. Одними из наиболее быстрорастущих источников являются возобновляемые ресурсы, такие как ветер и солнце. Большая часть электроэнергии в США вырабатывается на централизованных электростанциях. Гораздо меньшее, но растущее количество электроэнергии производится за счет распределенной генерации — различных технологий, которые генерируют электроэнергию там, где она будет использоваться или рядом с ней, например, солнечные панели на месте и комбинированное производство тепла и электроэнергии. Подробнее о централизованной и распределенной генерации.

Начало страницы

Подача и использование электроэнергии

Когда электричество вырабатывается на централизованной электростанции, оно проходит через серию взаимосвязанных высоковольтных линий электропередачи. Подстанции «понижают» мощность высокого напряжения до более низкого напряжения, отправляя электроэнергию более низкого напряжения потребителям через сеть распределительных линий. Подробнее о доставке электроэнергии.

На бытовых, коммерческих и промышленных потребителей приходится примерно треть потребляемой в стране электроэнергии. На транспортный сектор приходится небольшая часть потребления электроэнергии. Узнайте больше о конечных потребителях электроэнергии.

Источник: Управление энергетической информации США, Обозреватель данных по электроэнергии. Доступ к этим данным был получен в декабре 2017 г. Как сеть соответствует выработке и спросу

Количество электроэнергии, используемой в домах и на предприятиях, зависит от дня, времени и погоды.По большей части электричество должно вырабатываться в то время, когда оно используется. Электроэнергетические компании и операторы сетей должны работать вместе, чтобы производить необходимое количество электроэнергии для удовлетворения спроса. Когда спрос увеличивается, операторы могут отреагировать увеличением производства на уже работающих электростанциях, выработкой электроэнергии на электростанциях, которые уже работают на низком уровне или в режиме ожидания, импортом электроэнергии из удаленных источников или вызовом конечных пользователей, которые согласились потребляют меньше электроэнергии из сети.

Начало страницы

Воздействие электроэнергетической системы на окружающую среду

Почти все части электроэнергетической системы могут повлиять на окружающую среду, и размер этих воздействий будет зависеть от того, как и где электроэнергия генерируется и доставляется. В общем, воздействие на окружающую среду может включать:

• Выбросы парниковых газов и других загрязнителей воздуха, особенно при сжигании топлива.
• Использование водных ресурсов для производства пара, охлаждения и других функций.
• Сбросы загрязняющих веществ в водные объекты, включая тепловое загрязнение (вода, температура которой превышает исходную температуру водоема).
• Образование твердых отходов, включая опасные.
• Использование земель для производства топлива, производства электроэнергии, а также линий передачи и распределения.
• Воздействие на растения, животных и экосистемы в результате воздействия на воздух, воду, отходы и землю, указанные выше.

Некоторые из этих воздействий на окружающую среду могут также потенциально повлиять на здоровье человека, особенно если они приводят к тому, что люди подвергаются воздействию загрязнителей в воздухе, воде или почве.

Начало страницы

Воздействие на окружающую среду используемой вами электроэнергии будет зависеть от источников производства («структуры электроэнергии»), имеющихся в вашем районе. Чтобы узнать о выбросах, генерируемых используемой вами электроэнергии, посетите Power Profiler EPA.

Вы можете уменьшить воздействие на окружающую среду от использования электроэнергии, покупая зеленую энергию и повышая энергоэффективность. Узнайте больше о том, как уменьшить ваше влияние.

В более широком смысле, несколько решений могут помочь снизить негативное воздействие на окружающую среду, связанное с производством электроэнергии, в том числе:

• Энергоэффективность. Конечные пользователи могут удовлетворить некоторые свои потребности, приняв энергоэффективные технологии и методы. В этом отношении энергоэффективность — это ресурс, который снижает потребность в выработке электроэнергии. Узнайте больше об энергоэффективности.
• Чистая централизованная генерация. Новые и существующие электростанции могут снизить воздействие на окружающую среду за счет повышения эффективности генерации, установки средств контроля за загрязнением и использования более чистых источников энергии. Узнайте больше о централизованной генерации.
• Чистая распределенная генерация. Некоторая распределенная генерация, такая как распределенная возобновляемая энергия, может помочь поддерживать доставку чистой, надежной энергии потребителям и снизить потери электроэнергии по линиям передачи и распределения. Узнать больше о распределенной генерации.
• Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Также известная как когенерация, ТЭЦ вырабатывает электроэнергию и тепло одновременно из одного источника топлива. Используя тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую, ТЭЦ является одновременно распределенной выработкой и формой энергоэффективности.Узнать больше о ТЭЦ.

Начало страницы

Потери в строках: упускают из виду и часто неправильно понимают

Статья Constellation 2 мин чтения

Знаете ли вы, как определяются ваши затраты на электроэнергию?

Понимание того, что указано в вашем коммерческом счете за электроэнергию, является важной частью образованного потребителя, но это не то, чему учат большинство из нас.

Стоимость энергии состоит из трех основных компонентов :

• Генерация (производство энергии электростанциями)
• Передача (массовая передача энергии на большие расстояния при высоком напряжении по взаимосвязанным линиям, которые образуют сеть или энергосистему)
• Распределение (линии, столбы и трансформаторы, принадлежащие коммунальным компаниям или независимым организациям, которые распределяют энергию на более короткие расстояния от региональных операторов передачи до домов и предприятий)

Как потребитель, ваш бизнес платит за провода высокого напряжения (передача) и местные провода (распределение).Естественно, передача электроэнергии между электростанциями, подстанциями и потребителями невозможна без потерь энергии.

Управление энергетической информации оценивает около 5 процентов ежегодно теряется в масштабах страны при передаче и распределении, большая часть которых приходится на распределение. ¹

Источник: Созвездие

Количество, которое теряется при передаче и распределении электроэнергии по электрической сети, называется потерей линии . Поскольку поставщик коммунальных услуг должен закупить достаточно энергии, чтобы покрыть ваше расчетное потребление (включая сумму потерь в линии), эти потери делятся и передаются потребителям.

Способ, которым ваш поставщик энергии включает линейные потери в свои расценки и контракты, может варьироваться, поэтому важно спросить о том, как определить наименьшее влияние на ваш счет за электроэнергию.

Потери в линии на фиксированных, индексных и гибких схемах электропитания Стандартные решения

Constellation с фиксированной ценой включают потери в линии в ставку контракта и не оплачиваются отдельно.По стандартным контрактам с фиксированной ценой поставщики, как правило, не переносят линейные потери на клиентов.

Когда дело доходит до наших решений с индексными ценами, линейные потери компонентов энергии (т. Е. Мощности) учитываются. Наши гибкие индексные решения позволяют клиенту покупать электроэнергию, используя смешанную стратегию фиксированных и индексных цен. Потери линий пропускаются с индексной скоростью, тогда как потери линий, связанные со скоростью транзакций розничной торговли (RTT), пропускаются с фиксированной скоростью RTT.

Узнайте больше о наших гибких индексных решениях сегодня.

Список литературы

1. https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=105&t=3

Как работают коробки передач | Американская трансмиссионная компания

Электроэнергия доставляется в дома, школы, больницы, предприятия и промышленность через интегрированную систему генерирующих станций, линий электропередач и подстанций. Линии передачи, которые состоят из тяжелых кабелей, натянутых между высокими башнями, переносят электроэнергию оттуда, где она вырабатывается, в районы, где она необходима.Сеть передачи позволяет перемещать большие объемы энергии на большие расстояния.

Как электричество подается в ваш дом:

Электроэнергия вырабатывается коммунальными предприятиями и другими производителями энергии на различных типах электростанций, ветряных и солнечных электростанциях. Электроэнергия «повышается» или преобразуется в более высокое напряжение на подстанциях до того, как она попадает в сеть высоковольтных линий электропередачи. Электроэнергия из передающей сети снижается до более низких напряжений на подстанциях, а затем электрические распределительные компании подают электроэнергию в дома и предприятия.

Поколение

Электроэнергия вырабатывается на различных типах электростанций, ветряных и солнечных электростанций коммунальными предприятиями и независимыми производителями энергии.

Трансмиссия

Являясь жизненно важным звеном между производством и потреблением энергии, линии электропередачи несут электричество высокого напряжения на большие расстояния от электростанций до населенных пунктов. Это то, что делает ATC.

Распределение

Электроэнергия по линиям электропередачи снижается до более низких напряжений на подстанции.Затем распределительные компании приносят электроэнергию на ваше рабочее место и дом.

Межсоединения обеспечивают надежность

Поскольку электроэнергию нельзя хранить, ее необходимо генерировать, передавать и распределять в тот момент, когда она необходима. Сеть высоковольтных передач является жизненно важным связующим звеном между электростанциями, производящими электроэнергию, и людьми, которые в ней нуждаются.

На заре электрификации электростанции были небольшими и вырабатывали электричество для непосредственных районов.По мере роста спроса на электроэнергию коммунальные предприятия строили более крупные и эффективные электростанции и разрабатывали системы передачи для передачи энергии на большие расстояния большему количеству потребителей на более обширных территориях.

Для повышения эффективности и надежности были подключены региональные передающие системы, позволяющие перетекать электроэнергию из одного региона в другой, что также снизило затраты за счет предоставления большего количества путей, по которым могла бы течь основная электроэнергия. Сегодняшняя «сеть» передачи электроэнергии отражает этот региональный подход к оптовой транспортировке электроэнергии.

Эффективность производства и распределения электроэнергии

Цепочка поставок энергии

Большая часть энергии доступных источников энергии тратится впустую из-за неэффективности процессов преобразования и распределения энергии.Рассматривая домашнее электрическое освещение в качестве типичного примера, менее 1% энергии, потребляемой для производства электричества, в конечном итоге преобразуется в световую энергию. Остальные 99% теряются в цепочке поставок. При использовании обычных электростанций, работающих на ископаемом топливе, потери накапливаются следующим образом:

• 10% энергии топлива теряется при сгорании, и только 90% теплотворной способности передается пару.
• КПД паровой турбины по преобразованию содержания энергии пара в механическую энергию ограничен примерно 40%.(Закон эффективности Карно)
• Роторный электрический генератор по сравнению с ним очень эффективен. КПД преобразования большой машины может достигать 98% или 99%.
• При передаче электроэнергии по распределительной сети между электростанцией и потребителем потери при распределении составляют 10%, в основном из-за сопротивления электрических кабелей.
• Дополнительная энергия теряется из-за эффективности преобразования энергии устройства конечного пользователя.Лампы накаливания особенно неэффективны, поскольку они преобразуют только 2% электрической энергии в свет.

Подробнее потери рассматриваются ниже.

Эффективность выработки

КПД электростанции η определяется как соотношение между полезной выработкой электроэнергии из генерирующего блока в конкретное время и энергетической ценностью источника энергии, подаваемой в блок в тот же период времени.

При производстве электроэнергии на основе паровых турбин 65% всей первичной энергии теряется в виде тепла.

Максимальная теоретическая энергоэффективность более подробно определяется циклом Ренкина. Для современных практических систем это около 40%, но меньше для более старых электростанций.

Эффективность снижается еще больше, если для питания установки используются виды топлива с более низким содержанием энергии, такие как биомасса.

Сравнение эффективности

В таблице ниже показана теоретическая эффективность преобразования различных источников энергии различными методами в полезную электрическую энергию.

Источник — Eurelectric

См. Также Затраты на энергию

Эффективность использования завода

На практике установки по производству электроэнергии редко выдают свою теоретическую мощность на постоянной основе из-за колебаний спроса и необходимости время от времени отключать оборудование для проведения планового технического обслуживания или аварийного ремонта.Следующие факторы используются для обозначения эффективности генерирующего предприятия в управлении своей генерирующей мощностью.

Коэффициент мощности:

Коэффициент мощности — это показатель операционной эффективности, который указывает на способность электростанции вырабатывать свою полную мощность. Это просто фактическая выходная энергия генератора за данный период, деленная на теоретическую выходную энергию, если бы машина работала с полной номинальной выходной мощностью в течение того же периода.Это косвенно показатель надежности снабжения.

Коэффициент мощности традиционной атомной или угольной электростанции находится под контролем руководства и может составлять более 80%, тогда как коэффициент мощности ветряных генераторов или солнечных электростанций зависит от элементов и обычно составляет менее 40%, а 25% — нет. быть необычным. Это означает, что ветряная турбина мощностью 1000 кВт в лучшем случае будет вырабатывать столько же энергии в год, сколько угольная электростанция мощностью 500 кВт, а возможно, и намного меньше.

Коэффициент нагрузки

Коэффициент загрузки — это показатель использования предприятия, который показывает, насколько эффективно мощность предприятия соответствует пиковому спросу потребителей. Это отношение средней нагрузки к пиковой в течение заданного интервала времени. Низкий коэффициент загрузки означает неэффективное использование оборудования и капитала.

Базовая нагрузка

Различные типы генераторов работают с диапазоном плановых коэффициентов нагрузки, определяемых политикой генерирующих коммунальных компаний.Установки с высоким КПД обычно рассчитаны на обеспечение базовой нагрузки сети, и, следовательно, они работают с очень высоким коэффициентом нагрузки.

В Великобритании в 2004 году угольные электростанции имели коэффициент нагрузки около 62 процентов, газовые электростанции — 60 процентов, атомные электростанции — 71 процент, гидроэлектростанции — 37 процентов и гидроаккумуляторы — 10 процентов. В тот же период общий средний коэффициент нагрузки для всей электросети Великобритании составлял около 55%.

Источник: Сборник статистики энергетики Великобритании (DUKES), 2005 г.

Пиковые нагрузки

Схемы нагрузки

рассматриваются более подробно на странице «Потребление электроэнергии», а в разделе «Согласование нагрузки» представлены варианты для обеспечения пиковых нагрузок. Генерирующие установки, обеспечивающие пиковые нагрузки, обычно имеют очень низкий коэффициент нагрузки, поэтому для этой цели часто используются более старые, менее эффективные установки.

Заводская маржа:

Использование электрической сети и генерирующих станций в ней будет намеренно ниже полной мощности для обеспечения надежности снабжения, даже когда какая-то генерирующая установка не работает или в случае неожиданных пиков потребительского спроса.

Запланированная избыточная мощность известна как маржа завода.

Заводская маржа является показателем надежности поставок. Это количество, на которое установленная генерирующая мощность превышает прогнозируемый пиковый спрос, и выражается в процентах. Маржа завода не менее 20% считается необходимой, чтобы избежать отключений электроэнергии и потенциальной перегрузки электросети. Таким образом, высокий запас установки приводит к низкому коэффициенту нагрузки.

Эффективность распределения электроэнергии

Коэффициенты потерь распределения (DLF)

Сопротивление кабелей, проводящих ток между электростанцией и помещениями конечного пользователя, вызывает дополнительные потери эффективности из-за джоулева нагрева (потери I ² R) соединительных силовых кабелей.Есть два основных влияющих фактора.

• Расположение

Сопротивление кабелей увеличивается с увеличением расстояния, поэтому потери обычно составляют 5% для источников питания в городских районах, расположенных близко к источнику питания, но достигают 10–20% для удаленных сельских районов. Общий средний показатель по США составляет от 7% до 8%.

• Напряжение

Поскольку джоулевые тепловые потери пропорциональны квадрату тока, потери при распределении можно уменьшить, передавая мощность с минимально возможным током, используя более высокие передаваемые напряжения.Верхний предел напряжения устанавливается нарушением воздушной изоляции между силовыми кабелями и землей или, что более вероятно, через изоляторы, удерживающие кабели от опор (опор) передачи.

В системах передачи высокого напряжения есть также дополнительные, хотя и незначительные, потери в меди и железе в трансформаторах, повышающие напряжение на электростанции и снова понижающие его в точке потребления из-за сопротивления обмоток и гистерезисные и вихретоковые потери в сердечниках трансформаторов.

Эффективность использования энергии

Следующий пример показывает неэффективность преобразования первичного источника энергии в полезный световой поток. Типичная лампа накаливания мощностью 60 Вт дает яркость около 15 люмен на ватт приложенной мощности. Таким образом, общий световой поток лампы составляет 900 люмен, что эквивалентно примерно 1,35 Вт или 1,35 Джоулей в секунду излучаемой световой мощности, а эффективность преобразования составляет 2.25%. Остальная часть приложенной электроэнергии теряется в виде тепла. Принимая во внимание типичный КПД электростанции, составляющий 35% и 10% джоулей потерь тепла в распределительной сети, эффективность преобразования первичной энергии в световую энергию составляет всего 0,7%

Для сравнения: компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) дает от 50 до 60 люмен на ватт.При использовании люминесцентных ламп вместо ламп накаливания потребляемая мощность ламп может быть снижена с 60 до 15 Вт при той же световой мощности. Потребитель экономит скромные 45 Джоулей в секунду, но соответствующее основное потребление энергии сокращается на огромные 141 Джоулей в секунду.

Здесь стоит заработать шесть очков:

• Использование ламп накаливания — очень неэффективный способ обеспечения освещения.
• Для питания лампы накаливания мощностью 60 Вт в течение одного года требуется от 200 до 300 кг угля хорошего качества.
• Учитывая, что сегодня в мире используются миллиарды ламп накаливания, непомерно много энергии тратится на освещение.
• Доступны альтернативы энергосбережению.
• Энергосберегающие устройства не только экономят деньги потребителей, но и увеличивают экономию энергии по мере того, как вы возвращаетесь по цепочке поставок.В этом типичном случае экономия 1 Джоуля конечным пользователем приводит к снижению общего количества потребляемой энергии более чем на 3 Джоуля.
• Коэффициент увеличения экономии также применяется к любой экономии энергии, достигнутой конечным пользователем, такой как снижение температуры на термостатах или отключение дистанционного управления устройством и функций ожидания.

См. Также Engineering Harmony

Вернуться к Обзор электроэнергетики

.

No related posts.