Передача электроэнергии на дальние расстояния

Опубликовано 29.01.2010 Ведущий Антон Степанов

Энергосистемой называют совокупность центров производства, передачи, переработки и потребления электроэнергии. Т.е. это электростанции, средства доставки энергии, а также инфраструктура преобразования и распределения, ну и конечные потребители.
Энергосистемы развитых стран достаточно сложны. С одной стороны, различные типы электростанций. Теплоэлектроцентрали внутри городов, гидростанции на водных артериях, множество прочих видов источников электричества. С другой стороны, множество населенных пунктов, в каждом из которых тысячи и тысячи потребителей. Как рядовых, так и таких гигантов, как, например, алюминиевые заводы. Все эти объекты должны быть связаны между собой. Причем вся инфраструктура должна работать, как единый организм, поскольку невозможна аккумуляция, хранение, электричества.
Зачем нужно передавать электричество на дальние расстояния? Дело в том, что электростанции удобнее строить ближе к источникам топлива. А потребители, как правило, удалены от них.
Энергосистемы физически покрывают страны и континенты, поэтому важную роль играет непосредственная связь между точками системы. Линии электропередачи - транспортные артерии для доставки электроэнергии. Электрические сети осуществляют передачу, распределение и преобразование электроэнергии в соответствии с возможностями источников и требованиями потребителей.
Линии бывают наземные, подземные и подводные, по методу их прокладки. Протяженность их огромна и с этим связана главная проблема, которую приходится решать - потери.
Изначально осуществлялась передача постоянного тока. Уже при длине кабеля в несколько сот метров мощность потребителя падала. Энергия тратилась на нагрев самого кабеля.
Потеря мощности в проводниках зависит от его сопротивления и, в значительной мере, от силы тока, проходящего через него. Сопротивление провода можно уменьшать, увеличивая его сечение, но это очень затратно, поэтому следует уменьшать силу тока.
Поскольку мощность рассчитывается как произведение силы тока на напряжение, то логично, что при уменьшении силы тока для снижения потерь, можно сохранить изначальную мощность только пропорционально увеличивая напряжение. На большие расстояния, само собой, передают большие мощности, смысла передавать малые просто нет. Поэтому для минимизации потерь делается это на очень высоких напряжениях.
Генераторы электростанций, вырабатывают переменный ток невысокого напряжения. Поэтому для его доставки, с помощью трансформаторов на выходе генератора напряжение повышают. При высоком напряжении осуществляют доставку посредством линий передач. Но потребление электроэнергии с высоким напряжением проблематично для потребителей. Поэтому в конечных точках напряжение понижают до уровня, приемлемого конкретным потребителям и распределяют.
Линии электропередач делятся на различные классы в зависимости от их конструктивного устройства, вольтажа, а так же назначению. Классификация по предназначению отправляет линии, передающие напряжение в 500кВ и выше в класс сверхдальних линий. Они предназначены для передачи энергии на далекое расстояние, для связи между энергосистемами. Магистральные, с напряжением 220 и 330 кВ, для включения в энергосети мощных электростанций, а так же связи электростанций внутри энергосистем. Линии, которые работают с напряжением от 35 до 150кВ относят к распределительным. Служат для вязи населенных пунктов и предприятий с распределительными центрами энергосетей. Линии с напряжением менее 20кВ используются для доставки электроэнергии до конечного потребителя.
Для каждого вида существуют пределы, т.е. пропускная способность. Максимальная передаваемая мощность зависит от таких факторов как потери на корону, нагрев проводника и условий устойчивости. Существует связь между мощностью, передаваемую через ЛЭП и протяженностью ЛЭП, а так же напряжением переменного тока. При определенных условиях, можно примерно считать, что для ЛЭП, максимальная мощность будет пропорциональна квадрату напряжения.
Доставка электроэнергии осуществляется на расстояния в тысячи километров. Работоспособные энергосистемы являются жизненно важной частью функционирования любой страны.
?
Типы электростанций

Электростанции - это предприятие производящее электрическую энергию. Без нее не мыслима жизнь современного человека. Всё электричество, используемое в быту, производстве, транспорте вырабатывается на электростанциях. Первые из них появились в конце 19го века и с тех пор увеличивалось их количество, мощность, КПД и их типы. Т.е. способы получения электроэнергии.
Основная цель работы всех электростанций - это преобразование неэлектрических видов энергии, таких как механическая, химическая, тепловая в электрическую энергию. В большинстве типов электростанций для этого используется электрический генератор переменного тока. В простейшем понимании, его принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции - возникновении электромагнитного напряжении в обмотке статора, находящейся в переменном магнитном поле. Это поле создается ротором - вращающимся электромагнитом, при прохождении по его обмотке постоянного тока. Т.е., упрощая, можно сказать, что для генерации электрического тока необходимо заставить ротор вращаться.
Для этого в большей части электростанций применяется турбина. Это мощный агрегат, обеспечивающий вращение ротора. По типу турбин, способу их работы, топливу происходит и деление электростанций по их видам.
Самый распространенный на сегодняшний день вид электростанций - это тепловые электростанции (ТЭС). Они последовательно преобразуют тепловую энергию сжигания органического топлива в механическую, а далее в электроэнергию.
Наиболее ранний их тип - это паротурбинная электростанция. В ней энергия сжатого и разогретого пара преобразуется в кинетическую энергию вращения вала. В следствии его вращения вырабатывается энергия. Часть пара может отбираться и использоваться для отопления. Такие станции называются теплоэлектроцентралями. Их размещают внутри или рядом с городом, а топливо подвозится. Чаще всего это уголь или мазут. Коэффициент полезного действия, т.е. процент полученной электроэнергии от энергии затраченной на ее выработку, относительно невысок: 60-70%.
Более высокий КПД у газотурбинных тепловых электростанций. В них происходит смешение воздуха и газа, которые воспламеняются и образующийся поток раскаленной смеси подается на вал.
В таком современном типе электростанций, как атомные, для разогрева теплоносителя используется энергия деления атомных ядер в реакторе. Этот процесс сопровождается выделением тепла, происходит нагрев теплоносителя в первом контуре, от которого нагревается теплоноситель во втором, чаще всего вода, а после уже подается на турбину.
Ну, и совсем здорово, если для получения пара не требуется расходовать топливо, а просто получать разогретый пар от природы. Как такое возможно? В некоторых регионах мира распространены горячие подземные источники, гейзеры. Проделав скважину можно использовать эту дешевую энергию. Такие электростанции называют геотермальными.
Но в принципе, для обеспечения вращения ротора не обязательно пользоваться энергией разогретого тем или иным способом пара или газа. Можно использовать энергию движения воды или газа. Наибольшее распространение это получило в использовании гидроэлектростанций. Перегородив реку платиной, создается разница уровней воды. Преодолевая ее, вода падает на лопасти гидротурбины, вращая ее.
Меньшее распространение получили приливные гидростанции. В них, для вращения турбины используется движение воды во время приливов и отливов.
И, наконец, ветряные электростанции или ветряки. Вращение обеспечивается, как несложно догадаться, движением воздуха лопастей ветряка. Т.е. кинетическая энергия движение ветра преобразуется в электроэнергию. Их устанавливают в степях, пустынях, там, где часто дует сильный ветер.
Особняком стоят солнечные электростанции. Они не используют движение в электрогенераторе. Ток генерируется фотоэлементами солнечных батарей. В них происходит преобразование солнечной энергии в электрическую.
Итак, мы вспомнили основные виды электростанций. Какие же достоинства и недостатки каждого типа? Они напрямую связаны с принципами их работы. Тепловые электростанции на данный момент дают наибольшее кол-во энергии на планете. При этом морально они устарели и человечество ищет способы отказа от них. Во-первых, в качестве топлива они используют невосполнимый ресурс - углеводороды. Продукты нефти, газа, угль, торф и сланцы. Их запасы не бесконечны и рано или поздно их использование прекратится. Кроме этого, такие электростанции сильно загрязняют продуктами сгорания окружающую среду. Часто имеют невысокий КПД. Но, несмотря на это, еще долгое время останутся лидерами в производстве.
Атомная энергетика более перспективна. Существуют предположения, что запасы топлива для нее на земле более обширны, чем запасы нефти, угля и газа. Объемно они гораздо компактнее. И, не смотря на грозный имидж, современная атомная энергетика более экологически безопасна. Правда, постройка самой электростанции очень дорога, значительно дороже тепловой. И хотя многие надеются на широкое использование атомной энергетики в будущем, сейчас доля генерируемой энергии достаточно мала. Ее можно поставить на третье место после энергии, которую дают гидроэлектростанции. Они мощны, энергия, которую они дают дешева. Но при этом, их строительство наносит ущерб окружающей среде. Затапливаются значительные пространства, меняется экосистема региона. Солнечные электростанции экологически чисты в использовании, но, при этом, при расширении их использования встанет вопрос об утилизации фотоэлементов, содержащие соединения кадмия. Кроме того, они могут располагаться преимущественно в районах с большим количеством солнечных дней. Т.е. желательно, приближенных к экватору. Использование же их, например, в широтах средней полосы России уже может быть неоправданным. Примерна та же ситуация и с ветряными электростанциями. Они безопасны для природы, но могут размещать только в определенных местах, где стабильно дует ветер. Да и там нет гарантий относительно выдачи электроэнергии. Мощность может меняться, как в течение года, так и месяца, суток, что, конечно, минус.
Во все времена человеческой истории, появление нового источника энергии служило мощным толчком к развитию цивилизации. Замена, в качестве источника топлива, древесины на уголь, привела к началу индустриализации, а использование нефти и газа привело к резкому скачку технологии в 20том веке. Сейчас ученые в поиске нового способа получать электроэнергию. Нет сомнений, что когда им это удастся, человечество ждет новый поворот в развитии.