Автономные источники электроэнергии
Лекция № 3
по дисциплине: «Электроснабжение»
Тема: Основные источники электроэнергии.
Цель: Изучить виды основных производителей электроэнергии.
План лекции:
1. Основные производители электроэнергии.
2. Виды электростанций.
3. Автономные источники электроэнергии.
Литература
1. Стерман Л.С., Лавыгин В.М., Тишин С.Г. тепловые и атомные электрические станции: М.: Изд-во МЭИ, 2000 г.
2. В.П. Харитонов «Автономные ветроэлектрические установки», издательство Академии сельхознаук, Москва, 2006 г.
3. Безруких П.П. «Ветроэнергетика», Справочное и методическое пособие. Москва, ИД «Энергия», 2010 г.
4. М.В.Голицын, А.М.Голицын, Н.В.Пронина. «Альтернативные энергоносители» Изд. Наука, Москва, 2004 г.
Основные производители электроэнергии
Энергетическая система (энергосистема) – совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электроэнергии и теплоты при общем управлении этим режимом.
Особенности электроэнергетики как отрасли обусловлены спецификой ее основного продукта. Электроэнергия по своим свойствам подобна услуге: время ее производства совпадает со временем потребления. Электроэнергетика должна быть готова к выработке, передаче и поставке электроэнергии в момент появления спроса, в том числе в пиковом объеме, располагая для этого необходимыми резервными мощностями и запасом топлива. Чем больше максимальное (хотя бы и кратковременное) значение спроса, тем больше должны быть мощности, чтобы обеспечить готовность к оказанию услуги. (Ситуация изменится, если появятся эффективные технологии хранения электроэнергии. Пока это в основном аккумуляторы разных типов, а также гидроаккумулирующие станции.)
|
|
|
Невозможность хранения электроэнергии в промышленных масштабах предопределяет технологическое единство всего процесса ее производства, передачи и потребления. Вероятно, это единственная отрасль в современной экономике, где непрерывность производства продукции должна сопровождаться таким же непрерывным ее потреблением. В силу этой особенности в электроэнергетике существуют жесткие технические требования к каждому этапу технологического цикла, в том числе по частоте электрического тока и напряжению.
Принципиальной особенностью электрической энергии как продукта, отличающей ее от всех других видов товаров и услуг, является то, что ее потребитель может повлиять на устойчивость работы производителя.
Потребности экономики и общества в электрической энергии существенно зависят от погодных факторов, времени суток, технологических режимов различных производственных процессов в отраслях-потребителях, особенностей домашних хозяйств, даже от программы телепередач. Различия между максимальным и минимальным уровнями потребления определяет потребность в так называемых резервных мощностях, которые включаются только тогда, когда уровень потребления достигает определенного значения.
|
|
|
Структура генерации по видам топлива: уголь - 22%, природный газ – 41%, ГЭС – 16 %, АЭС – 12%, нефть (мазут) – 5%, прочие – 4%.
Основными производителями электроэнергии являются:
- тепловые электростанции (ТЭС),где тепловая энергия, образующаяся при сжигании органического топлива (уголь, газ, мазут, торф, сланцы и т.д.), используется для вращения турбин, приводящих в движение электрогенератор. Возможность одновременного производства тепла и электроэнергии привела к распространению в ряде стран централизованного теплоснабжения на ТЭЦ;
- гидроэлектростанции (ГЭС),где в электроэнергию преобразуется механическая энергия потока воды с помощью гидравлических турбин, вращающих электрогенераторы;
- атомные электростанции (АЭС),где в электроэнергию преобразуется тепловая энергия, полученная при цепной ядерной реакции радиоактивных элементов в реакторе.
|
|
|
Тепловые электростанции (ТЭС), работающие на органическом топливе (уголь, мазут, газ, сланцы, торф), являются на сегодняосновным видом используемых в России энергопроизводителей.
Выбор места размещения тепловых электростанций определяется в основном наличием в данном регионе природных и топливных ресурсов. Мощные ТЭС строятся, как правило, в местах добычи топливных ресурсов или недалеко от крупных центров нефтеперерабатывающей промышленности. Тепловые электростанции, на которых в качестве топлива используются местные виды горючего (сланец, торф, низкокалорийные и многозольные угли), стараются размещать согласно потребности в электроэнергии и, в тоже время, с учётом наличия тех или иных видов топливных ресурсов. Электростанции, работающие на высококалорийном топливе, доставка которого к месту использования экономически целесообразна, размещаются обычно с учётом потребительского спроса на электроэнергию.
Гидроэлектростанции представляют собой специальные сооружения, возведённые в местах перекрытия больших рек плотиной и использующие энергию падающей воды для вращения турбин электрогенератора. Этот способ получения электроэнергии является наиболее экологичным, поскольку обходится без сжигания тех или иных видов топлива и не оставляет никаких вредных отходов после себя.
|
|
|
Атомные электростанции (АЭС) отличаются от тепловых лишь тем, что, если в ТЭС для нагрева воды и получения пара используется горючее топливо, то в АЭС источником нагрева воды служит энергия тепла, выделяемого в процессе ядерной реакции.
В настоящее время большую часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии дают тепловые электростанции, мощность которых может составлять сотни тысяч и миллионы киловатт.
Для совместного и согласованного производства электроэнергии электростанции различного типа объединяют в энергосистемы. Объединение электростанций, а также самих энергосистем между собой позволяет снизить стоимость электроэнергии и гарантирует бесперебойность режима электроснабжения потребителя. Объясняется это тем, что производство и расходование электроэнергии происходят одновременно, и невозможно аккумулировать всю вырабатываемую энергию в каком-либо виде. Поэтому электростанции обязаны иметь определённый резерв по рабочей мощности, необходимый для того, чтобы быть способными в любой момент удовлетворить возросший спрос на электроэнергию со стороны потребителя (на возросшую нагрузку). А величина потребления (спроса на энергию) может резко колебаться при изменении режимов и условий работы потребителей.
В городах в зимний период, например, потребление электроэнергии резко возрастает, а летом - снижается. В сельском хозяйстве, напротив, электрические подстанции больше загружены именно летом, когда производятся сезонные полевые работы. Кроме того, максимальные нагрузки электростанций, расположенных на востоке и западе страны обычно не совпадают из-за разницы во времени. При коллективной работе электростанций они подпитывают друг друга, что обеспечивает их более равномерную загрузку и повышение КПД работы.
На электростанциях, не входящих в состав энергосистемы, не допускается применение мощных узлов по транспортировке и преобразованию электроэнергии. Объясняется это тем, что выход подобного узла из строя моментально парализует работу промышленных предприятий, обесточивает целые районы и грозит аварийной остановкой систем водоснабжения и т. п.
При объединении энергопроизводителей в энергосистемы нет оснований отказываться от таких мощных агрегатных узлов, поскольку нагрузку вышедшего из строя участка линии мгновенно подхватят оставшиеся в рабочем состоянии системы.
Наряду с традиционным способом получения электроэнергии с помощью электростанций всё большую популярность приобретают в последнее время альтернативные источники электроэнергии. К подобным источникам можно отнести, например, ветряные электрогенераторы, которые преобразуют природную силу ветра в электрический ток.
Всё большей популярностью в наше время пользуются и солнечные батареи, которые, в отличие от электрогенератора, используют принцип прямого преобразования энергии солнечных лучей в электрическую энергию (фотоэффект).
Три основных типа электростанций определяют виды используемых энергоресурсов. Их принято подразделять на первичные и вторичные, возобновляемые и невозобновляемые.
Первичные энергоносители – это сырьевые материалы в их естественной форме до проведения какой-либо технологической обработки, например каменный уголь, нефть, природный газ и урановая руда. В разговорной речи эти материалы называют просто первичной энергией. К таковой относятся также солнечное излучение, ветер, водные ресурсы. Вторичная энергия – это продукт переработки, «облагораживания» первичной, например бензин, мазут, ядерное топливо.
Некоторые виды ресурсов могут относительно быстро восстанавливаться в природе, они называются возобновляемыми: дрова, камыш, торф и прочие виды биотоплива, гидропотенциал рек. Ресурсы, не обладающие таким качеством, называются невозобновляемыми: уголь, сырая нефть, природный газ, нефтеносный сланец, урановая руда. По большей части они являются полезными ископаемыми. Энергия солнца, ветра, морских приливов относится к неисчерпаемым возобновляемым энергетическим ресурсам.
В настоящее время наиболее распространенным видом технологического топлива в мировой электроэнергетике выступает уголь. Это объясняется относительной дешевизной и широкой распространенностью запасов данного вида топлива. Однако транспортировка угля на значительные расстояния ведет к большим издержкам, что во многих случаях делает его использование нерентабельным. При производстве энергии с использованием угля высок уровень выброса в атмосферу загрязняющих веществ, что наносит существенный вред окружающей среде. В последние десятилетия ХХ в. появились технологии, позволяющие использовать уголь для производства электроэнергии с большей эффективностью и меньшим ущербом для окружающей среды.
Расширение использования газа в мировой электроэнергетике за последние годы объясняется существенным ростом его добычи, появлением высокоэффективных технологий производства электроэнергии, основанных на применении данного вида топлива, а также ужесточением политики по охране окружающей среды.
Все большее распространение получает использование урана. Это топливо обладает колоссальной эффективностью по сравнению с прочими сырьевыми источниками энергии. Однако применение радиоактивных веществ сопряжено с риском масштабного загрязнения окружающей среды в случае аварии. Кроме того, возведение АЭС и утилизация отработанного топлива чрезвычайно капиталоемки. Развитие этого вида энергетики осложняется и тем, что пока немногие страны могут обеспечить подготовку научных и технических специалистов, способных разработать технологии и обеспечить квалифицированную эксплуатацию АЭС.
Большое значение в структуре источников электроэнергии сохраняют гидроресурсы, хотя их доля за последние десятилетия несколько сократилась. Преимущества этого источника в его возобновляемости и относительной дешевизне. Но возведение гидростанций оказывает необратимое воздействие на окружающую среду, так как обычно требует затопления значительных территорий при создании водохранилищ. Кроме того, неравномерность распределения водных ресурсов на планете и зависимость от климатических условий ограничивают их гидроэнергетический потенциал.
Существенное сокращение использования нефти и нефтепродуктов для производства электроэнергии за последние тридцать лет объясняются как ростом стоимости данного вида топлива, высокой эффективностью его применения в других отраслях, так и дороговизной его транспортировки на значительные расстояния, а также возросшими требованиями к экологической безопасности.
Растет внимание к возобновляемым источникам энергии.В частности, активно разрабатываются технологии использования энергии солнца и ветра, потенциал которых огромен. Правда, на сегодняшний день использование солнечной энергии в промышленных масштабах в большинстве случаев оказывается менее эффективным по сравнению с традиционными видами ресурсов. Что касается энергии ветра, в развитых странах (прежде всего под влиянием экологических движений) ее применение в электроэнергетике значительно увеличилось. Нельзя не упомянуть также геотермальную энергию, которая может иметь серьезное значение для некоторых государств или отдельных регионов (Исландии, Новой Зеландии, в России – для Камчатки, Ставропольского и Краснодарского краев, Калининградской области). Развитие производства электроэнергии на основе возобновляемых ресурсов пока еще требует государственных дотаций.
В конце XX – начале XXI в. резко повысился интерес к биоэнергетическим ресурсам. В отдельных странах (например, в Бразилии) производство электроэнергии на биотопливе составило заметную долю в энергетическом балансе. В США была принята специальная программа субсидирования биотоплива. Но существуют и сомнения в перспективах данного направления электроэнергетики. Они касаются прежде всего эффективности использования таких природных ресурсов, как земля и вода; так, отвод обширных площадей пахотной земли под производство биотоплива внес свой вклад в удвоение цен на продовольственное зерно.
Виды электростанций
В системе электроснабжения объектов можно выделить три вида электроустановок:
· по производству электроэнергии - электрические станции;
· по передаче, преобразованию и распределению электроэнергии - электрические сети и подстанции;
· по потреблению электроэнергии в производственных и бытовых нуждах – приемники электроэнергии.
Электроэнергию вырабатывают генераторы.
Основной принцип действия и работа генератора основаны на законе электромагнитной индукции Фарадея. Для выработки ЭДС необходимы два условия. Во первых это контур в виде медной обмотки и наличие магнитного потока, который, как правило, создается обычным магнитом либо дополнительной обмоткой. (Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает электрический ток, получивший название индукционного).
Таким образом, для того чтобы появилось желаемое ЭДС на выходе электрогенератора, необходимо привести в движение либо магнит или обмотку относительно друг друга. Магнитный поток, пройдя сквозь контур, в результате и создаёт электричество. Причём скорость вращения напрямую влияет на величину вырабатываемого напряжения. Теперь имея представление об электрогенераторе нам всего лишь необходимо найти источник движения для него, то есть источники электроэнергии.
В зависимости от источника энергии различают следующие типы электростанций:
- тепловые электростанции (ТЭС), использующие природное топливо. Они делятся на конденсационные (КЭС) и теплофикационные (ТЭЦ);
- гидравлические электростанции (ГЭС) и гидроаккумулирующие (ГАЭС), использующие энергию падающей воды;
- атомные электростанции (АЭС), использующие энергию ядерного распада;
- дизельные электростанции (ДЭС);
- ТЭС с газотурбинными (ГТУ) и парогазовыми установками (ПГУ);
- солнечные электростанции (СЭС);
- ветровые электростанции (ВЭС);
- геотермальные электростанции (ГЕОТЭС);
- приливные электростанции (ПЭС).
Наиболее часто в современной энергетике выделяют традиционную и нетрадиционную энергетики. Традиционную энергетику главным образом разделяют на электроэнергетику и теплоэнергетику.
Тепловые электростанции
Примерно 70% мировой электроэнергии вырабатывают на ТЭС. Они делятся на конденсационные тепловые электростанции (КЭС), вырабатывающие только электроэнергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые производят электроэнергию и теплоту.
В России около 70% энергии производится на тепловых электростанциях. ТЭС строят в районах добычи топлива или в районах потребления энергии.
В 1882 году великий учёный Томас Эдисон запустил первую в мире тепловую электростанцию (ТЭС), работающую на паровом двигателе.
Топливо и окислитель, которым обычно служит подогретый воздух, непрерывно поступают в топку котла. В качестве топлива используется уголь, торф, газ, горючие сланцы или мазут. За счёт тепла, образующегося в результате сжигания топлива, вода в паровом котле нагревается, испаряется, а образовавшийся насыщенный пар поступает по паропроводу в паровую турбину, назначение которой превращать тепловую энергию пара в механическую энергию. Все движущиеся части турбины жёстко связаны с валом и вращаются вместе с ним. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору следующим образом. Пар высокого давления и температуры, имеющий большую внутреннюю энергию, из котла поступает в каналы турбины. Струя пара с высокой скоростью непрерывно вытекает из каналов и поступает на рабочие лопатки турбины, укрепленные на диске, жёстко связанном с валом. При этом механическая энергия потока пара превращается в механическую энергию ротора турбогенератора, так как валы турбины и электрического генератора соединены между собой. В электрическом генераторе механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Таким образом, тепловые электростанции (ТЭС) тепловую энергию, образующуюся при сжигании органического топлива (уголь, газ, мазут, торф, сланцы и т.д.), использует для вращения турбин, приводящих в движение электрогенератор. Возможность одновременного производства тепла и электроэнергии привела к распространению в ряде стран централизованного теплоснабжения на ТЭЦ.
Гидроэлектростанции — это специальные сооружения, построенные на местах падения реки, тем самым используя её энергию для вращения электрогенератора. Пожалуй самый безвредный способ получения электроэнергии, поскольку не происходит сжигание топлива и не оставляет после себя вредных отходов. Бежит себе вода и даёт нам электричество.
Принцип работы ГЭС достаточно прост. Гидротехнические сооружения ГЭС обеспечивают необходимый поток воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит во вращение генератор, вырабатывающий электроэнергию.
ГЭС выгодно строить на полноводных горных реках. Поэтому наиболее крупные ГЭС построены на сибирских реках Енисее, Ангаре. Но также построены каскады ГЭС и на равнинных реках: Волге, Каме.
Назначение гидроаккумулирующих электростанций заключается в выравнивании суточного графика нагрузки электрической системы и повышении экономичности ТЭС и АЭС. В часы минимальной нагрузки системы агрегаты ГАЭС работают в насосном режиме, перекачивая воду из нижнего водохранилища в верхнее и увеличивая тем самым нагрузку ТЭС и АЭС; в часы максимальной нагрузки системы они работают в турбинном режиме, отрабатывая воду из верхнего водохранилища и разгружая тем самым ТЭС и АЭС от кратковременной пиковой нагрузки. Экономичность работы системы в целом при этом повышается. ГАЭС сооружают в системах, где отсутствуют ГЭС или их мощность недостаточна для покрытия нагрузки в часы максимальной нагрузки.
Атомные электростанции — в принципе очень похожи на тепловые, разница лишь в том, что в ТЭЦ используют горючее топливо для нагрева воды и получения пара, а в АЭС источником нагрева служит тепло, выделяемое при ядерной реакции. То есть в реакторе находится радиоактивное вещество, как правило, уран, который при своём распаде выделяет большое количество теплоты, и тем самым нагревая котёл с водой, с последующим выделением пара, для вращения турбины и электрогенератора. Атомные электростанции очень выгодные, поскольку при своём малом количестве вещества, способны выдавать много энергии.
В атомном реакторе внутриядерная энергия преобразовывается и относится теплоносителем по трубопроводам первого контура в парогенератор, где тепло передается рабочему телу. Охлажденный теплоноситель с помощью главного циркуляционного насоса вновь направляется в реактор и контур замыкается. Рабочим телом служит обычная вода, генерируемая в пар. Пар по трубопроводу рабочего контура направляется в турбогенератор, в котором тепловая энергия превращается в механическую, а механическая в электрическую. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе и прокачивается насосами через регенеративную систему низкого давления. Далее с помощью насосов через регенеративную систему высокого давления вода вновь поступает в парогенератор.
Хоть АЭС и предусматривает высокую степень безопасности, но случаются аварии. Да и после отработки ядерного топлива, отходы нужно куда-то девать.
АЭС построены в районах, где потребляется много энергии, а других энергоресурсов не хватает (в западной части страны).
Также существует большое множество и гораздо менее используемых источников электроэнергии в отличие от основных. Это к примеру ветряные электрогенераторы, которые обычную силу ветра превращают непосредственно в электрический ток.
В последнее время набирают весьма большею популярность солнечные батареи, которые в отличии то электрогенератора используют иной принцип работы.
Экономические характеристики производства электроэнергии зависят от типа электростанции, степени ее загрузки и режима работы, вида топлива. При прочих равных условиях в наибольшей степени востребуется электроэнергия тех станций, которые генерируют ее в нужное время и в нужном объеме с наименьшими издержками.
С учетом всех этих особенностей принято объединять устройства, производящие энергию (генераторы), в единую энергетическую систему, что обеспечивает сокращение суммарных издержек производства и уменьшает потребность в резервировании производственных мощностей. Система нуждается в операторе, который выполняет координирующие функции. Он регулирует график и объем как производства, так и потребления электроэнергии. Системный оператор принимает решения на основании рыночных сигналов от производителей (о возможностях и стоимости производства электроэнергии) и от потребителей (о спросе на нее в определенные временные интервалы). В конечном счете системный оператор должен обеспечить надежную и безопасную работу энергосистемы, эффективное удовлетворение спроса на электроэнергию. Его деятельность отражается на производственных и финансовых результатах всех участников рынка электроэнергии, а также на их инвестиционных решениях.
Термоядерные электростанции. В настоящее время ученые работают над созданием Термоядерных электростанций, преимуществом которых является обеспечение человечества электроэнергией на неограниченное время. Термоядерная электростанция работает на основе термоядерного синтеза — реакции синтеза тяжелых изотопов водорода с образованием гелия и выделением энергии. Реакция термоядерного синтеза не дает газообразных и жидких радиоактивных отходов, не нарабатывает плутоний, который используется для производства ядерного оружия. Если еще учесть, что горючим для термоядерных станций будет тяжелый изотоп водорода дейтерий, который получают из простой воды — в полулитре воды заключена энергия синтеза, эквивалентная той, что получится при сжигании бочки бензина, — то преимущества электростанций, основанных на термоядерной реакции, становятся очевидными.
Автономные источники электроэнергии
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 728; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!