СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Возобновляемые источники энергии
и электрические системы и сети»
ИНСТРУКТИВНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по проведению
ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ №3
по дисциплине «Электроснабжение»
на тему:
«Изучение источников и групп потребителей электроэнергии».
Севастополь
Практическое занятие №2
по дисциплине «Электроснабжение»
Тема: Изучение источников и групп потребителей электроэнергии.
Цель: проверить и закрепить теоретические знания, полученные студентами, обучить их методам решения вопросов в изучении источников и групп потребителей электроэнергии. источников и групп потребителей электроэнергии.
Теоретические сведения
Основные производители электроэнергии
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.
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.
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.
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. Большое значение в структуре источников электроэнергии сохраняют гидроресурсы, хотя их доля за последние десятилетия несколько сократилась.
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).
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 75% 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.
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 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.
