Проблема передачи электроэнергии на расстояние

Рис. 3. Электрическая  железная дорога В. Сименса (1879 г.)

Электроэнергия  для двигателя подавалась по третьему рельсу, а отводилась по ездовому рельсу. Однако этот трамвай не был пригоден в городских условиях. Интересные работы по использованию электрической энергии для привода в движение обычного вагона городской конки были проведены Ф. А. Пироцким в 1880 г. в Петербурге в Рождественском парке городской конно-железной дороги. Опыты Пироцкого были удачными и показали экономические и технические преимущества нового вида городского транспорта. Однако владельцы акций Общества конно-железных дорог, боясь конкуренции, воспрепятствовали проведению испытаний.

Дальнейшее  развитие городского хозяйства все больше и больше требовало коренных изменений в способах передвижения в крупных городах. В результате стали постепенно строиться трамвайные линии. В 1881 г. вблизи Берлина была пущена первая трамвайная линия протяженностью около 2,5 км. Уже в 1895 г. в крупнейших городах Европы и США конки заменяются трамваем. В России регулярная эксплуатация трамвая была впервые организована в 1892 г. в Киеве. В Москве первая трамвайная линия была построена в 1899 г. За 10 лет протяженность железнодорожной электросети достигла 2260 км, из которых 1138 км приходилось на Германию.

Одновременно  велось изучение проблемы электрификации железнодорожного транспорта. Начиная  с 1901 г. электричество используется на пригородных железнодорожных  линиях Парижа. С конца XIX в. проводятся опыты электрификации горных линий в США, в Италии и в Швейцарии.

Успешное  разрешение проблемы передачи электроэнергии способствовало необычайно быстрому развитию электротехники. Благодаря электрической  энергии стало возможным более рациональное использование природных источников энергии. Электрическая передача дала возможность использовать дешевую гидравлическую энергию рек, применять малоценное топливо — малокалорийные сорта каменного угля, угольную пыль, торф и т. д. Электрическая энергия в полном смысле слова совершила революцию в энергетике и этим самым создала условия для нового колоссального технического прогресса. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА 2: СОВРЕМЕННЫЙ СПОСОБ  ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕТРОЭНЕРГИИ НА РАССТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ ЭТОГО СПОСОБА. 

Современные способы передачи электроэнергии на расстояние.   
 

Основными энергетическими ресурсами страны в настоящее время служат природные запасы горючих ископаемых и гидравлические ресурсы. Вблизи этих источников энергии в большинстве случаев размещаются электрические станции. На них первичные виды энергии преобразуются в электрическую энергию,  вырабатываемую генераторами переменного тока при напряжениях 6-35 кВ.   

Изготовление  генераторов на более высокое  напряжение затруднительно и практически нецелесообразно. Но при таких напряжениях экономичная передача энергии возможна лишь близко расположенным потребителям. Для передачи электроэнергии на более значительные расстояния-порядка сотен километров-нужны более высокие напряжения-несколько сотен тысяч вольт.

При данной мощности, чем выше напряжение линии  электропередачи (ЛЭП), тем меньше должна быть сила тока, а вместе с ней уменьшается падение напряжения в линии и потери энергии на нагревание проводов, если считать постоянной величиной сопротивление линии.

Таким образом, повышение напряжения линии передачи дает возможность при тех же относительных потерях передавать энергию на более дальние расстояния. По этой причине

стремятся применять для линий передач  все более высокие напряжения.

Следует отметить, что с повышением напряжения непропорционально быстро возрастают затраты на изолирующие устройства, в частности, на тяжелые гирлянды изоляторов, нести которые должны высокие опоры, увеличиваются размеры и стоимость трансформаторных подстанций наконец, значительно возрастают ежегодные расходы на обслуживание и поддержание установок более высокого напряжения. Если увеличение напряжения экономически необоснованно, то вызванные этим повышением затраты могут оказаться существенно больше экономики, которую создает уменьшение потерь энергии на нагревание проводов. При проектировании электроснабжения рабочее напряжение выбирается, с одной стороны, в зависимости от стоимости соответствующего электротехнического оборудования, а с другой стороны, в зависимости от стоимости в данном районе электрической энергии.  Приближенно для линий передач средней длинны можно считать, экономически целесообразным напряжение 1 кВ на 1 км длинны линии, например для линии передачи длинной 200 км целесообразно применить рабочее напряжение200 кВ при выборе напряжения необходимо учесть и то, что оно должно, соответствовать шкале стандартных напряжений.

Генераторы, работающие на электрических станциях, соединяются с линиями передачи через повысительные трансформаторы, установленных на повысительной трансформаторной подстанции ТП. Длинными линиями электроэнергия передается в промышленные центры. Но линии передачи являются в системе питательными линиями ПЛ.: потребители энергии непосредственно к ним не подключаются, так как напряжение этих линий для потребителей слишком высоко. Затем затруднительно среди города устанавливать опоры линии передачи высокого напряжения. Напряжение желательно понизить настолько, чтобы иметь возможность применить относительно недорогие кабели, проложенные в земле (6-35 кВ). Поэтому напряжение передачи электроэнергии на районных трансформаторных подстанциях (ТП) понижается до 6-35 кв. эти подстанции построены на окраине больших городов или на территории больших заводов. От подстанции начинаются распределительные сети. Их напряжение (3-35 кВ) выбирают в зависимости от расстояния районной ТП до потребителя. Для снабжения групп потребителей относительно небольшой мощности часто служат распределительные пункты (РП), где энергия распределяется между отдельными потребителями, но не трансформируется. Потребительские трансформаторные подстанции находятся в непосредственной близости к потребителям. Их вторичное напряжение220/127; 380/220 и 660/380 В (при схеме распределения -звезда с нулевым проводом). Наибольшее распространение имеет, система 380/220 В. Во вторичную цепь потребителя ТП подключаются лампы электрического освещения(220 В), электродвигатели и т.п. На пути от генератора к приемнику  электрическая энергия преобразуется 3-4 раза. Последний вариант (4 раза) применяют в тех случаях, когда напряжение 6-10 кВ недостаточны для распределения энергии по относительно большой площади, а строить для небольших мощностей дорогие понизительные подстанции на 110-500 кВ экономически нецелесообразно. По этим соображениям приходится вводить промежуточное напряжения 35кВ. 

Проблемы, возникающие с передачей электроэнергии на расстояние. 

В 1919 году  М.О. Доливо-Добровольский указывал, что протяженность электропередач переменного тока не может расти  беспредельно. Очень длинные линии  станут электрически неустойчивыми и не смогут пропускать ток большой мощности. Причина в том, что каждый проводник обладает электрической емкостью и самоиндукцией. Переменный ток не безразличен к этим свойствам проводника. Они производят в токе изменения, которые уменьшают его мощность. У проводов сверхдальних передач эти свойства проявляются настолько сильно, что в конце линии мощность тока оказывается ничтожной, а поскольку растет потребление электроэнергии, увеличивается количество потребителей электроэнергии, следовательно,  удлиняются линии передач электроэнергии. Кроме потерь связанных емкостью  и самоиндукцией, при передаче электроэнергии по проводам часть электрической энергии теряется, расходуется на нагревание проводников.. Кроме тепловых потерь, в линии возможны потери вследствие излучения радиоволн проводами длинной линии. Эти потери проявляют тем сильней, чем больше отношение расстояния между проводами к длине волны.  

Первая проблема передачи электроэнергии на расстояние. 

Удлинение линии передач электроэнергии, что ведет к потере мощности вследствие нагревание проводников, к потере мощности вследствие излучения радиоволн, к потере мощности вследствие  того что каждый проводник обладает электрической емкостью и самоиндукцией и, вследствие этого при очень большой длине линии передач электроэнергии может стать экономически невыгодно.

Эту проблему можно было бы решить, повышая напряжение в линии передач, но с повышением напряжения возникает разряд между  проводами, приводящий к потере электроэнергии, следовательно, к потере мощности тока. 

Вторая проблема передачи электроэнергии на расстояние. 

Возникновения разряда между проводами при очень высоком напряжении, приводящего к потерям энергии,  к потере мощности тока. 

Вывод: в настоящее время решить эти проблемы можно лишь строя новые электростанции тем самым, увеличивая  мощность в линии передач, используя при этом природные ресурсы: газ, уголь, нефть.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА 3: АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ  ИСТОЧНИКИ  ЭНЕРГИИ.                                                      

1. Энергии биомассы.

Понятие «биомасса» относят к веществам  растительного или животного  происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию  биомассы используют двояко: путем  непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта. Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м3 . Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12 куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений , трав и др. Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина. Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую. Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья. 

2.Солнечная энергия (одна из альтернативных источников энергии) 

Солнечная энергия преобразуется в электрическую  на солнечных электростанциях (СЭС), имеющих оборудование, предназначенное для улавливания солнечной энергии и ее последовательного преобразования в теплоту и электроэнергию.

Для размещения солнечных электростанций лучше  всего подходят засушливые и пустынные  зоны. В Росси такие зоны есть. В настоящее время строятся солнечные электростанции в основном двух типов: СЭС башенного типа и СЭС распределительного (модульного) типа.

 Идея, лежащая в основе работы СЭС  башенного типа, была высказана  более 350 лет назад, однако строительство  СЭС этого типа началось только  в 1965 г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

 В  башенных СЭС используется центральный приемник с полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч. Система слежения за Солнцем сложна, так как требуется вращение вокруг двух осей. Управление системой осуществляется с помощью ЭВМ. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 ^оС, воздух и другие газы - до 1000 ^оС, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100  ^оС, жидкометаллические теплоносители - до 800  ^оС.

Главным недостатком башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая  занимаемая площадь. Так, для размещения СЭС мощностью 100 МВт  требуется площадь в 200 га, а для АЭС мощностью 1000 МВт  - всего 50 га. Башенные СЭС мощностью до 10 МВт нерентабельны, их оптимальная мощность равна 100 МВт , а высота башни 250 м.

В СЭС распределительного (модульного) типа используется большое число модулей, каждый из которых включает параболоцилиндрический концентратор солнечного излучения и приемник, расположенный в фокусе концентратора и используемый для нагрева рабочей жидкости, подаваемой в тепловой двигатель, который соединен с электрогенератором. Самая крупная СЭС этого типа построена в США и имеет мощность 12,5 МВт.

При небольшой  мощности СЭС модульного типа более  экономичны, чем башенные. В СЭС модульного типа обычно используются линейные концентраторы солнечной энергии с максимальной степенью концентрации около 100.

В соответствии с прогнозом в будущем СЭС  займут площадь 13 млн. км² на суше и 18 млн. км² в океане.

СЭС на базе солнечных  прудов значительно дешевле СЭС других типов, так как они не требуют зеркальных отражателей со сложной системой ориентации, однако их можно сооружать только в районах с жарким климатом.

В солнечном  пруду происходит одновременное  улавливание и накапливание солнечной  энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естественных соленых озерах температура воды у дна может достигать 70 ^ос. Это обусловлено высокой концентрацией соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой, и эта теплота довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникающая через всю массу жидкости в солнечном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90-100  ^ос, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20  ^ос. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается большое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда.