Альтернативна енергетика

2.5.1. Сонячна енергетика.

Принцип отримання електричної енергії полягає в перетворенні сонячної в електричну енергію. Це може бути здійсненне двома способами: термодинамічним і прямим перетворенням.

Термодинамічний спосіб полягає у застосування дзеркальних відбивачі-геліостатів, які фокусують сонячне випромінювання, а отримане тепло використовують в звичайній схемі паротурбінної електричної станції: парогенератор–турбіна–генератор. Цей комплекс є сонячною електричною станцією (СЕС).

СЕС можуть бути трьох типів:

· баштового типу – парогенератор встановлений на башті, яка оточена геліостатами, за допомогою яких сонячне випромінювання фокусується на теплосприйнятливій поверхні парогенератора;

· параболічного (лоткового) типу – у фокусі параболи циліндричних концентраторів розміщуються вакуумні приймачі з теплоносієм;

· тарілкового типу – в фокусі параболічного тарілкового дзеркала розміщується приймач сонячної енергії з робочою рідиною.

Термодинамічні сонячні електричні станції можуть працювати в енергетичній системі разом з традиційними електричними станціями, розвантажуючи їх, що сприяє економії органічних видів палива.

Одним із нових напрямків більш ефективного використання сонячної енергії може стати сонячна аеростатна електростанція з паровою турбіною (САЕС). Основний елемент САЕС аеростат знаходиться над поверхнею Землі, що забезпечує безперервне використання сонячної енергії для нагрівання пари, яка подається на парову турбіну, що розташована на землі або в люльці аеростата з подальшою передачею електроенергії на землю.

Пряме перетворення сонячної енергії в електричну відбувається за допомогою фотоелементів (напівпровідників). Принцип дії прямого перетворення базується на використанні внутрішнього фотоефекту у напівпровідниках і ефекту ділення фотогенерованих носіїв зарядів.

Фотоелементи, як правило, виготовляють із кремнію, ккд використання якого становить 14-20%. Перспективне виготовлення фотоелементів з арсеніду галія дозволить зменшити втрати і підвищити ккд. Послідовно-паралельне з’єднання фотоелементів утворює сонячну батарею, потужність якої обумовлена кількістю елементів.

Можливі наступні варіанти застосування сонячних батарей:

- створення фотоелектричних станцій;

- установка на житлових та громадських спорудах (автономне електропостачання);

- використання для фотоелектричного транспорту;

- утворення систем великої площі з використанням дешевих плівкових фотоелементів;

- розміщення в космічному просторі на орбітальних електростанціях з передачею електроенергії на Землю за допомогою радіохвиль високої частоти з наступним перетворення знову в електричну.

Недоліком фотоелементів для отримання електричної енергії є їх висока вартість, а при створенні фотоелектричних станцій необхідні значні площі.

Суттєвим недоліком існуючих сонячних енергетичних установок є нерівномірність їх роботи, що пов’язане із зміною потоку сонячного випромінювання, який досягає поверхні Землі, обумовленого погодними умовами, зміною пір року і часом доби.

Потужності окремих існуючих сонячних електричних станцій у різних країнах світу становлять від 5 до 280 МВт, потужність орбітальних сонячних станцій може бути від 3000 до 20000 МВт.

2.5.2. Вітрові електричні станції.

Принцип дії вітрових електричних станцій (ВЕС) базується на перетворення кінетичної енергії вітру в електричну. Під тиском вітру обертається вітроколесо з лопатями, передаючи обертальний момент на двигун, з’єднаний з генератором.

Розповсюдженість цього джерела енергії дозволяє йому конкурувати з енергією традиційних теплових електричних станцій. Завдяки своїй доступності енергія вітру знаходить широке використання у малій енергетиці, в локальних системах електропостачання споживачів.

Собівартість електроенергії, яка виробляється ВЕС, може бути нижчою ніж собівартість електричної енергії ТЕС, а капіталовкладення у ВЕС нижчі ніж капіталовкладення вугільних ТЕС. Слід зазначити, що значно спрощується експлуатація ВЕС порівняно з ТЕС, вирішуються проблеми економії природних ресурсів палива, відсутні шкідливі викиди у навколишнє середовище.

Основні недоліки ВЕС:

- непостійність та нерівномірність виробництва електроенергії;

- використання значних площ земельних ресурсів;

- рівень шумів може перевищувати нормовані.

Загальна потужність ВЕС у світі становить близько 100 млн. кВт.

2.5.3. Геотермальні електричні станції .

Геотермальними (ГеоТЕС) називаютьсяелектростанції, які виробляють електроенергію за рахунок глибинного тепла землі. Встановлено, що кожні 30 м поглиблення дають приріст температури на 1^оС. Однак, в районах вулканізму існують термоаномальні зони, де підвищення температур и на 1^оС відбувається вже при заглибленні на 2-3 м, на глибині 400-600 м температура Землі досягає 150-200 ^оС. Саме в цих зонах будують ГеоТЕС. ГеоТес – це паротурбінна станція з конденсаційною турбіною і прямим використання природної пари, яка із свердловини подається в турбіну. Такі станції розраховані на використання природної пари з температурою значно вищою ніж 100 ^оС. Якщо температура пари нижча ніж 100^оС, застосовують замкнуту циркуляцію фреону, який є проміжним теплоносієм з низькою температурою кипіння (29, 9 ^оС). Вода зі свердловини віддає теплову енергію на випаровування фреону, пари якого надходять в турбіну, що обертає генератор.

Особливості ГеоТЕС:

- постійне надходження енергоресурсів, що дозволяє стабільно видавати в енергетичну систему електричну енергію;

- немає необхідності встановлення парових котлів чи атомних реакторів;

- собівартість електричної енергії низька (менша собівартість електричної енергії, виробленої тільки на ГЕС);

- відсутні шкідливі види викиди до атмосфери та радіоактивне забруднення;

- наслідки можливих аварій обмежені лише територією станції;

- простий рівень автоматизації;

- можливість отримання корисних копалин, що виносяться з глибин Землі (наприклад, сірка);

Недоліки ГеоТЕС:

- обмеженість зон використання геотермального ресурсу;

- постійна необхідність заміни труб, які виготовлені з високоякісної сталі великої вартості, що знаходяться у агресивному середовищі свердловині;

- висока вологість повітря в місцях знаходження станції.

Загальна встановлена потужність ГеоТЕС у світі становить близько 12 млн. кВт.

Геотермальна енергетика також використовується для одержання теплової енергії (басейни, теплиці, опалення приміщень).

2.5.4. Морські електричні станції.

Припливніелектричні станції (ПЕС) - станції, що використовують припливні коливання рівня моря. Ці коливання відбуваються двічі протягом доби, досягаючи в окремих пунктах узбережжя 11-19 м. Енергія припливів є передбачуваною, завдяки гравітаційній взаємодії Землі з Місяцем та Сонцем. Значна тривалість фаз припливу та відливу та низький потенціал гідроенергії припливів потребує акумуляції цієї енергії у вигляді басейнів, які створюються спорудженням греблі. Гребля перекриває частину моря (затоку) або гирло річки, що впадає в море. Басейн заповнюється водою під час припливу і скидає воду через гідроагрегати під час відливу, для цього на ПЕС встановлюються агрегати оборотного типу, які працюють у режимі турбіни під час руху води з басейну в море і у режимі двигуна при зворотному русі. ПЕС забезпечують стабільне передбачуване постачання електричної енергії в енергосистему.

Загальний потенціал можливої до використання припливної енергії у всьому світі орієнтовно оцінюється за потужністю в 1 млрд.кВт. Потужність окремих ПЕС може бути досить великою – до 100 млн.кВт., але це потребує величезних капіталовкладень (за рахунок спорудження морської греблі). Окрім цього слід зазначити, що спорудження таких ПЕС може призвести до екологічної катастрофи, яка безпосередньо вплине на існування морської флори та фауни.

Прибійні електричні станції та установки – використовують енергію морських прибоїв, принцип дії яких є привабливим за рахунок простоти та відсутності рухомих частин: хвиля потрапляє під спеціальний козирок, що встановлюється на березі, стискає повітря та жене його через сопловий канал до встановленої на березу турбіни, яка має з генератором спільний вал. Такі станції мають невелику потужність і призначені для постачання електричної енергії споживачам, що знаходяться поблизу.

Термальні електричні станції – принцип роботи полягає в використанні різниці температур поверхневого і глибинного шарів води. Робоча рідина з низькою температурою кипіння (фреон, бутан) циркулює в замкнутому контурі, переходить в пароподібний стан в випарнику при підводі тепла поверхневого шару води. Пара при кипінні робочої рідини надходить до турбіни. Відпрацьована пара конденсується в конденсаторі, віддаючи тепло холодній морськиі воді з глибинного шару. За принципом виробництва електричної енергії ці станції належать до паротурбінних. Термальні електричні станції мають невелику потужність і можуть споруджуватись тільки в зоні теплих течій Світового океану.

Хвильові енергетичні установки використовують енергію хвиль в морях та океанах. Принцип дії хвильових енергоустановок полягає в наступному: хвилі поштовхами заповнюють водою спеціальну камеру, з якої витісняють повітря. Стиснуте повітря під тиском проходить через турбіну, яка з’єднана з генератором. (Англія)

Основною причиною, яка стримує розвиток хвильових електричних станцій, є труднощі щодо концентрації і акумуляції водної енергії розосередженої на великій поверхні. Хвилі можуть генерувати кількість енергії, яка приблизно в два рази перевищує обсяг всієї електричної енергії, що виробляється на планеті.

2.5.5. Пряме перетворення теплової енергії в електричну.

Станції з магнітогідродинамічними генераторами (МГДЕС).

Магнітогідродинамічні генератори (МГДГ) – прямі перетворювачі теплової енергії в електричну без проміжного перетворення в механичу. Принцип дії заснований на законі електромагнітної індукції: провідник – іонізований газ у вигляді низькотемпературної плазми перетинає магнітне поле. В плазмі, наводиться електрорушійна сила (ЕРС) і за наявності електричних зв’язків з навантаженням виникає індукований постійний струм.

Магнітогідродинамічні генератори можуть мати велику потужність і їх доцільно встановлювати в комплексі з паротурбінними агрегатами: станція стає маневровою, ккд підвищується до 50-60% (тобто в 1, 5 рази вищий ніж на ТЕС) за рахунок додаткового підігріву котла відпрацьованими газами з температурою 2000^оС.

Слід зазначити, що МГДГ не мають обертальних частин і можуть використовувати будь-яке паливо. Впровадження МГДГ стримує відсутність вогнетривких і термостійких матеріалів, використання яких дозволило б довести температуру плазми до 2700-3000^оС, відсутність надпровідних матеріалів для електромагнітів, а також значні витрати на перетворення постійного струму МГДГ в змінний.

3. Споживачі в енергетичних системах

3.1. Загальна класифікація споживачів в енергетичних системах

Споживач – це електроприймач, в якому електрична енергія перетворюється в іншу енергію (в лампі – в світлову, в пилососі, холодильнику – в механічну, в прасці, електричній плиті – в теплову, та ін.). В енергетичних системах, як правило, не розглядаються окремі електроприймачі, а споживачами вважають комплекси різних електроприймачів (наприклад житловий будинок в цілому, промислове підприємство, навчальний заклад та ін.).

Споживачами в енергетичних системах є промисловість, будівництво, електрифікований транспорт, сільське господарство, нафтогазова промисловість, житлові комплекси.

Всі споживачі умовно поділяються на класи:

· міські;

· промислові;

· сільські;

· електрифіковані залізниці;

· магістральні нафто-і газопроводи.

Міські споживачі:

· комунально-побутові;

· електрифікований міський транспорт;

· водопровід та каналізація;

· вентилятори, ліфти;

· дитячі дошкільні заклади, школи, лікарні, навчальні заклади;

· заклади торгівлі;

· заклади культурного призначення;

Промислові споживачі:

· електричні двигуни;

· електротермічні установки;

· прокатні стани, домни, мартенівські установки та інші установки на підприємствах

Сільські споживачі:

· тваринницькі ферми;

· підприємства з виробництва та переробки сільськогосподарської продукції;

· комунально-побутові споживачі в сільській місцевості

В цілому до сільських споживачів належать всі споживачі, які розташовані в сільській місцевості.

Споживачі електрифікованих залізниць;

· локомотиви;

· вокзали, залізничні станції зі своєю інфраструктурою;

· депо, майстерні.

Споживачі магістральних нафтогазопроводів;

· нафтоперекачувальні станції нафтопроводів;

· компресорні станції газопроводів;

· споживачі населених пунктів при нафто перекачувальних та компресорних станціях.

Наведений розподіл споживачів за класами дає можливість узагальнити спільні риси для виконання проектних робіт, ведення експлуатації та планування перспективного розвитку.

3.2. Класифікація споживачів в енергетичних системах за умовами надійності електропостачання

За умовами надійності всі споживачі поділяються на три категорії:

1 категорія споживачів – це с особлива група споживачі, перерва в електропостачанні яких може призвести до людських жертв, масового браку продукції, порушення особливо важливих елементів міського господарства. Перерва в електропостачанні допускається тільки на час автоматичного введення резервного живлення (секунди);

2 категорія споживачів – це споживачі, перерва в електропостачанні яких пов'язана з недовідпуском продукції, порушенням нормального життя населення. Перерва в електропостачанні допускається на час, необхідний для включення резервного живлення діями чергового персоналу (до 2 годин).

3 категорія споживачів – це споживачі, які не належать до 1 та 2 категорій. Перерва в електропостачанні допускається на час до 24 годин.

Категорійність споживачів регламентується Державними документами (ДБН України, ПУЕ).

3.3. Графіки електричних навантажень

Споживання електричної енергії залежить від призначення споживачів, режимів їх роботи. Процес споживання електричної енергії в часі відображується графіками навантаження.

Графік електричного навантаження - графічне зображення залежності споживання електричної енергії від часу. Рівень споживання відображає навантаження, яке визначають в одиницях потужності, струму.

Електричне навантаження споживачів змінюється протягом доби, місяця або року.

Графіки навантажень бувають добові, річні, сезонні.

Графіки навантажень є типовими для кожного споживача.

Споживачі, які мають однаковий графік навантажень називаються однорідними. Споживачі, у яких графіки навантажень не співпадають, називаються різнорідними.

Сума графіків навантажень усіх споживачів енергетичної системи відображає сумарний графік навантаження енергетичної системи, який використовують для визначення основних показників функціонування енергетичної системи та планування її перспективного розвитку.

Приклад добового графіка наведений на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Добовий графік навантаження

4. Електричні мережі

Електричні мережі призначені для передачі електричної енергії від джерел живлення до місць споживання та її перетворювання. До складу електричних мереж входять лінії електропередачі (ЛЕП) та підстанції.

Основні вимоги до електричних мереж – надійне та якісне електропостачання споживачів при оптимальних витратах на передачу та перетворення електричної енергії. Надійність визначається категорією споживачів. Якість електричної енергії, яка характеризується частотою та напругою, регламентується міждержавним ГОСТ (ГОСТ-13109-97).

4.1. Класифікація електричних мереж

Електричні мережі класифікуються за показниками, що характеризують мережі як в цілому, так і окремі ЛЕП. Систематизація електричних мереж дозволяє виявити загальні закономірності окремих груп, що використовуються при проектуванні та експлуатації електричних мереж.

В основному мережі класифікують за струмом, напругою, схемами з’єднань та конструктивним виконанням.

За струмом розрізняють електричні мережі змінного та постійного струму. Переважна більшість електричних мереж – це мережі трифазного змінного струму стандартної частоти. Електричні мережі постійного струму використовуються для живлення деяких промислових споживачів (наприклад, електроліз), міського електричного транспорту (трамвай, тролейбус, метрополітен). Електрифіковані залізниці працюють на постійному і змінному струмі. Постійний струм застосовується також для передачі енергії на великі відстані.

За напругою електричні мережі поділяють на мережі напругою до 1 кВ і мережі напругою вище 1 кВ. Кожна електрична мережа характеризується номінальною напругою, яка забезпечує нормальну і найбільш економічну роботу устаткування та електроприймачів.

Номінальні напруги електричних мереж:

до 1 кВ вище 1 кВ

220/127 В (3 кВ) 110 кВ 330 кВ 1150 кВ

380/220 В 6 кВ (150 кВ) 500 кВ

660 В 10 кВ 220 кВ 750 кВ

20 кВ

35 кВ

Електричні мережі напругою 220/127, 380/220 В виконуються чотирьохпровідними (три фази і нуль) і використовуються, в основному, для живлення побутових приймачів. Слід зазначити, що напруга 220/127 В застосовується тільки для приймачів, що потребують великого світлового потоку (прожекторне освітлення, освітлення театральних сцен та ін.). На напрузі 660 В працюють невеликі двигуни промислових підприємств.

Напруги 3, 6, 10 кВ використовують для розподілення електричної енергії в мережах промислових підприємств, міст, сільських районів. При цьому 3 кВ застосовують для живлення двигунів на промислових підприємствах, але з економічної точки зору, доцільніше, за можливості, застосувати аналогічний двигун напругою 6 кВ. В сільських електричних мережах використовують напругу 6, 10 кВ., але перевагу надають напрузі 10 кВ. В міських розподільних мережах прийнята напруга 10 кВ.

Напруга 20 кВ в об’єднаній енергетичній системі країн СНД використовується тільки на території Латвії для живлення невеликих підприємств, розподілення енергії в міських та сільських мережах.

Напругою 35 кВ виконуються електричні мережі, які живлять міста, сільські райони та невеликі підприємства.

Електричні мережі напругою 110, 150, 220 кВ розподілять електричну енергію між підстанціями системи, від яких живляться підприємства, міста, сільські райони, магістральні нафто- та газопроводи, тягові підстанції електрифікованих залізниць. Слід зазначити, що електричні мережі напругою 150 кВ мають місце тільки в центральній частині України (Запорізька, Дніпропетровська та інші області).

Електричні мережі напругою 330, 500 кВ розподіляють електричну енергію між найбільшими підстанціями систем, від яких здійснюється живлення великих міст, підприємств, електрифікованих залізниць, видача потужності найпотужніших електричних станцій, у т.ч. атомних; виконують об’єднання енергетичних систем (міжсистемні зв’язки).

Напругою 750 кВ виконуються лінії електропередач для видачі потужності атомних станцій та організації міжсистемних зв’язків, у т.ч. з країнами Європи.

Напруга 1150 кВ призначена для спорудження ліній для транспорту надзвичайно великих обсягів електричної енергії. Єдина лінія напругою 1150 кВ споруджена на території Росії (довжина її 3, 5 тис. км).

Умовно електричні мережі за напругою поділяють на мережі низьких (220-660 В), середніх (3-35 кВ), високих (110-220 кВ), надвисоких (330-750 кВ) та ультрависокої (1150 кВ) напруг.

Електричні мережі низьких та середніх напруг (НН та СН) призначені для невеликих територій і називаються місцевими. Електричні мережі високих та надвисоких напруг (ВН та НВН) охоплюють великі території і називаються районними.

Електропередачі НВН споруджуються у багатьох країнах світу. Найвища напруга електропередачі у Німеччині – 380 кВ, Італії, Франції, Англії – 420 кВ, Аргентині, Бразилії, Японії, Австралії, Єгипті – 500 кВ, Канаді – 735 кВ, США – 765 кВ.

Напруги ліній електропередач постійного струму ГОСТом не нормовані.

В промисловості і транспорті використовують напруги постійного струму: для контактної мережі, що живить трамваї і тролейбуси, – 600 В, метрополітену – 825 В, електрифікованих залізниць – 3, 3 кВ.

За схемою з’єднань електричні мережі поділяють на розімкнені, розімкнені резервовані та замкнені.

Розімкненими називаються мережі, які отримують електричну енергії від одного джерела і передають її до споживачів тільки в одному напрямку. На рис. 4.1. представлені різні види розімкнених мереж: радіальна з одним навантаженням (а), магістральна з декількома навантаженнями (б), розгалужена (в). В таких мережах пошкодження будь-якої лінії призводить до порушення електропостачання споживачів. Ці схеми мають низький ступінь надійності електропостачання і призначені для живлення споживачів ІІІ категорії.

В розімкнених резервованих мережах (рис. 4.2.) при пошкодженні однієї з ліній, резервна лінія (зображена на рис. штриховою лінією), яка в нормальному режимі розімкнена, вмикається персоналом. Ці схеми мають підвищений ступінь надійності електропостачання і призначені для живлення споживачі ІІ категорії.

Замкненими є мережі, в яких споживачі отримують електричну енергії хоча б з двох сторін. В таких мережах відключення однієї лінії не призводить до порушення електропостачання, тому що кожний споживач має резервне живлення. До простих замкнених мереж належать одноконтурні схеми – лінії з двостороннім живлення (рис. 4.2. а) та колові мережі з одним джерелом живлення (рис. 4.2. б). До складних замкнених мереж належать мережі з двома і більше замкненими контурами. (рис.4.3.). Ці мережі можуть різну конфігурацію, будь-яку кількість джерел живлення і будь-яку кількість замкнених контурів.

Замкнені мережі мають високу ступінь надійності і призначені для живлення споживачів І категорії.

Рис.4.1. Схеми розімкнених електричних мереж

Рис.4.2. Схеми розімкнених резервованих електричних мереж

Рис.4.3. Схеми замкнених електричних мереж