Проблемы связанные с передачей электроэнергии

Итак, 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.

Итак, 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.

Но из различных источников информации можно узнать, что запасы природных ресурсов хватит еще на 50 лет, а именно они в настоящее время являются основными источниками электроэнергии, ведь в настоящее время в нашей стране ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии. Возникает вопрос, есть ли другие неисчерпаемые источники энергии, которые не наносят ущерб экологическому равновесию на нашей планете?

Да они существуют, это альтернативные источники энергии

ГЛАВА 2: АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ОДИН ИЗ СПОБОБОВ                                                                                         

РЕШЕНИЕ ЭНЕРГИТИТЕСКОЙ ПРОМБЛЕМЫ.                                                    

Я выбрал эти альтернативные источники, потому что их можно применить в Самарской области.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

1. энергия биомассы

2.энергия Солнца,

3.энергия ветра.

Рассмотрим каждый  альтернативный источник энергии.

1.Начнем с 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.Рассмотрим солнечную энергию, как один 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.

Обычно глубина пруда составляет 1-3 м. На 1 м 2 площади пруда требуется 500-1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.

Наиболее крупный из существующих солнечных прудов находится в местечке Бейт-Ха-Арава в Израиле. Его площадь составляет 250 000 м 2 . Он используется для производства электроэнергии. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами.

3.Энергия ветра

Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чем в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.

Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек., называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Я рассмотрел лишь незначительную часть альтернативных источников электроэнергии, которые применимы в России. Ведь существуют еще и другие альтернативные источники электроэнергии такие как: энергетика земли (геотермальная энергетика), энергия океана и т.д.

Вывод:

1.из рассмотренных мною альтернативных источников электроэнергии солнечная энергетика относится к наиболее  материалоемким видам производства   энергии;

подсчеты показывают,  что для  производства  1  МВт*год электрической энергии  с помощью солнечной энергетики потребу­ется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов, а в традици­онной энергетике  на органическом топливе этот показатель сос­тавляет 200-500 человеко-часов; пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными луча­ми,  обходится  намного  дороже,  чем получаемая традиционными способами;

2. при использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия;

3.производство биогаза из органических отходов дает возможность решить энергетическую задачу.

ГЛАВА 3: МОИ МОДЕЛИ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕТРОЭНРГИИ  И МОИ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ.

МОИ МОДЕЛИ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕТРОЭНРГИИ. Я хочу предложить свои модели передачи электроэнергии на расстояние. Может быть они не новы, но я именно так представляю передачу электроэнергии. Начнем с понятие модели.

В модели принимаю во внимание лишь те свойства реальной системы, учет которых необходим для объяснения исследуемых закономерностей поведения этой системы. То есть мои модели должны учитывать наличие сопротивление проводников при передаче электроэнергии на расстояние. Значит, мои модели должны быть устроены таким образом, чтобы существенно уменьшать сопротивление проводников.

Модель №1.приложение схема №1. « Ток из Земли». Важным свойством проводника цепи переменного тока  является поверхностный эффект, заключающийся в увлечение сопротивления из-за вытеснения тока к поверхности проводника. С увеличением сопротивления увеличиваются и потери мощности на нагревание проводника. Поверхностный эффект проявляется тем сильней, чем больше частота переменного тока. Для проводника в цепи постоянного тока таково эффекта не существует. Следовательно, при передаче электроэнергии на расстояние с помощью постоянного тока потеря мощности на 1 км длины линии передачи существенно снизиться.

Итак, моя модель следующая: переменный ток, выработанный генераторами электростанций, пройдя трансформаторы повышающие его напряжение, будет направляться в выпрямители, где переменный ток превращается в постоянный, сохранив при этом высокое напряжение. Затем по проводам большего сечения идущие под землей с большой степенью защиты ток идет к месту потребления. Ток там встречают аппараты (основа этих аппаратов может быть явление газового разряда)  в которых происходит обратный процесс. То есть ток становится переменным и поступает на трансформаторы понижающие напряжение тока, наконец, ток идет к потребителям.

Моя модель более эффективная, поскольку в ней уменьшается потери мощности на нагревание проводников. Чтобы доказать это оценим потери мощности в моей модели и современном способе передачи электроэнергии.

При рассмотрении энергетических соотношений в цепи переменного тока пользуются тремя понятиями мощности: активной, реактивной и полной.

Активная мощность Р  характеризует потери энергии тока ( за 1 сек) на нагревание активных сопротивлений цепи и может быть вычислена по формуле:

                                            P  =I*Ucosf=I *R=U /R (1)

Где U-действующее значение напряжение на участке цепи;

       I- действующее значение силы тока;

       f- угол сдвига фаз тока и напряжения;

       R-активное сопротивление участка цепи.

Реактивная мощность Р  связана с реактивным сопротивлениями, которые периодически накапливают энергию, а затем возвращают ее источнику, но сами энергию не поглощают и может быть вычислена по формуле:

                                          P= U /X (2)

Полная ( кажущаяся) мощность Р связана с активной и реактивной соотношением:

                                          Р=  Р + Р  (3)

Вычислим теперь потери мощности для цепи переменного тока, с учетом поверхностного эффекта. Предположим, что потери мощности связанные  с реактивным сопротивлением равны нулю, то есть мы рассмотрим те моменты времени,  когда реактивное сопротивление отдает энергию источнику. Следовательно, потеря мощности будет только связана с нагреванием проводников, то есть нам нужно вычислить активную мощность, тем самым мы вычислим полную мощность.

Вычислим активную мощность по формуле (1) с учетом, что для линий передач средней длинны можно считать, экономически целесообразным напряжение 1 кВ на 1 км длинны линии:

                                         R =p L/S=0,0178*1000/35=0,51 Ом (4)

-удельное сопротивление материала провода, в качестве проводника будем использовать медный проводник;

L-длина провода, равная 1км;

S-площадь поперечного сечения материала, 35 мм

Для переменного тока при  вычисление активного  сопротивления нужно учитывать поверхностный эффект, то есть нужно вычислить величину для медного провода:

                               x=10,5d  v/1000 =10,5*6  50/1000=14 (5)

где d-диаметр провода, 6 мм;

v - частота, 50Гц.

Тогда активное сопротивление R=x*R=14*0,51=7,1 Ом.