1.6. Энергоэффективность транспортировки энергии и энергоресурсов

1.6.1. Закон повышения энергоэффективности движения энергопотоков в технических системах

Под технической системой (ТС) понимается большая искусст­венно созданная человеком система, находящаяся в постоянном развитии. Все системы энергетики являются большими техниче­скими системами. Это и электрические системы и сети, тепловые сети, системы трубопроводного транспорта энергоносителей и т.д.

Законы развития технических систем (ЗРТС) - общие для всех технических систем хронологии и закономерности развития. Эти законы являются внешним проявлением своего рода естественного отбора, который идет в мире техники [24].

В конкурентной борьбе побеждают те системы, которые лучше других удовлетворяют требованиям общества. Эти требования, в общем, сводятся к одному: работать как можно лучше, при мень­шем потреблении ресурсов, и меньших выбросах вредных веществ. Самые различные ТС, в том числе и системы энергетики, сталки­ваются примерно с одними и теми же проблемами [25].

Основная цель энергоснабжения - обеспечение потребителя ка­чественной электрической энергией, т.е. удовлетворение запросов потребителя. Однако со временем и потребитель сам изменяется:

• растут или снижаются потребности в объеме потребляемой электрической и тепловой энергии;

• изменяется неравномерность суточного графика электрической нагрузки;

• изменяется характер электрической нагрузки, т.е. она от чисто активной начинает быть активно-индуктивной;

• возрастают перетоки реактивной мощности, что приводит к лишним потерям;

• растут потребности качеству получаемой тепловой и электри­ческой энергии, растут потери от недоотпуска этих видов энергии;

- потребитель уделяет все большее значение вопросам энерго­сбережения.

Как известно, все системы энергетики связаны с преобразовани­ем энергии и интересна динамика получения потребителем механи­ческой, электрической и тепловой энергии и изменения эффектив­ности преобразования различных видов энергии и, в конечном сче­те, первичной энергии.

Как известно, первым механическим двигателем, цепочку пре­образования энергии от энергии топлива до механической, была паровая машина. Такие машины приводили в движение паровозы, пароходы, локомобили. Последние представляли собой стационар­ный механический двигатель, механическая энергия от которого по линиям механических передач, таких как длинные валы, цепная передача, ременная и т.д., передавалась рабочей машине - печатно­му или ткацкому станку и т.д. Блочная схема преобразования видов энергии показана на рис. 10.

Рис. 10

Tfe = П1 П2 П3 П4= 0,8-0,2-0,9-0,9 = 0,128.

Здесь п₁ - к.п.д котла; г|₂ - к.п.д. паровой машины; г|₃ - к.п.д пер­вого механического привода; г|₄ - к.п.д второго механического при­вода; r|z - суммарный к.п.д всего цикла преобразования энергии.

Видно, что Х - химическая энергия первичного топлива в котле преобразуется в Т - тепловую энергию, далее в паровой машине тепловая энергия преобразуется в М1 - механическую, далее по­средством механического привода М2 она передается к рабочей машине М3. Цель работы технической системы - выработка и дос­тавка механической энергии к рабочей машине. Суммарный к.п.д при этом составлял всего r|z = 0,128. Расстояние от источника меха­нической энергии до потребителя не превышало 10-20 метров.

С развитием эры электричества упростилась передача энергии.

Первоначально системы генерации электрического тока созда­валась как системы постоянного тока. Электрические машины-генераторы сначала была магнитоэлектрического типа, т.е. с по­стоянными магнитами, а затем как машина с электромагнитным возбуждением. Уже к середине 1880-1890 годов машина постоян­ного тока приобрела все основные черты современной конструк­ции: кольцевой якорь, самовозбуждение, дополнительные обмотки и т.д. Линии передачи электрического тока были постоянного тока. Потери в сетях составляли 25 % и выше. На электрической станции динамо-машины постоянного тока приводились в действие паро­выми машинами и заряжали аккумуляторы.

Все городские электростанции имели очень низкое число часов использования установленной мощности генераторов, Это проис­ходило из-за того, что характер нагрузки был в основном освети­тельный, т.е. на лампы накаливания. Промышленная нагрузка была очень мала. Это означает, что доля электрической энергии, идущей на привод электродвигателей, составляла 10-20 % от общего энер­гопотребления. Основным первичным энергоресурсом была сырая нефть, дрова и торф. Котлы вырабатывали пар давлением до 8 атм. Основным параметром качества электрической энергии была бес­перебойность ее подачи.

Блочная схема видов преобразования энергии при передаче энергии на постоянном токе представлена на рис. 11.

Tfe = П1 П2 П3 П4 П5= 0,9 • 0,4 • 0,8 • 0,75 • 0,8 = 0,1728.

Здесь Х - Т = п₁ - к.п.д котла; Т - М1 = г|₂ - к.п.д. паровой ма­шины; М1 - Э1 = г|₃ - к.п.д динамо-машины; Э1 - Э2 = г|₄ - к.п.д линии электропередачи постоянного тока; |5 - к.п.д двигателя по­стоянного тока; г|_Х - суммарный к.п.д всего цикла преобразования энергии.

Видно, что Х - химическая энергия первичного топлива в котле преобразуется в Т - тепловую энергию, далее в паровой машине тепловая энергия преобразуется в М1 - механическую, далее про­исходит вращение генератора - динамо-машины постоянного тока, и по линии передачи электрическая энергия поступает потребителю Э2 для преобразования в механическую М2 в двигателях постоян­ного тока или для преобразования в световую С в электрических лампочках. Цель работы технической системы остается в основном той же - выработка и доставка механической энергии к рабочей машине, добавляется возможность применения электрического ос­вещения за счет преобразования электрической энергии в световую. Суммарный к.п.д при этом составляет i|s = 0,1728. Расстояние от источника механической энергии до потребителя не превышало 5-10 км.

С развитием промышленности процент преобразования электри­ческой энергии в механическую растет. Растет производство элек­трической энергии. Однако, успешно пройдя вторую стадию (рис. 12) [24] развития системы генерации, передачи и потребления на постоянном токе подошли к третьей стадии - своему апогею. Что же стало причиной ограничения распространения систем постоян­ного тока в то время? Причина проста - технологические ограниче­ния из-за высоких потерь энергии (низкая энергоэффективность). Потери в электрических сетях составляли от 25 % и выше. При этом сами сети работали на низком напряжении 500 В и представ­ляли собой медные проводники большого сечения. Расход меди на передачу 1 кВт электрической мощности был колоссальным. Сис­тема перешла в четвертую стадию - к свертыванию.

обладающей улучшенными магнитными характеристиками и низ­кими потерями на перемагничивание. В результате целого ком­плекса технических нововведений потери энергии резко снизились и стали достигать 11-13 %.

Блочная схема передачи энергии на переменном трехфазном то­ке представлена на рис. 13.

Главные параметры

Рис. 12. Стадии развития технической системы

С начала 70-х годов 19 века начала развиваться система пере­менного однофазного тока, а с конца 80 годов 19 века - система переменного трехфазного тока. Прогрессивность системы трехфаз­ного тока была настолько очевидной, что уже к началу прошлого столетия она получила всеобщее признание и начала быстро рас-простаняться. Новая эра области генерирования электроэнергии с помощью трехфазных синхронных генераторов началась с 1900 го­дов в результате разработки турбогенераторов, т.е. связок паровых турбин и трехфазных синхронных генераторов. Развитие силовых трансформаторов шло в тесной связи с развитием электроэнергети­ческих систем. Были созданы первые трехфазные трансформаторы, первые высоковольтные трехфазные линии электропередач. Сокра­тился расход меди на передачу 1 кВт электрической мощности. Чрезвычайно важное значение для электромашиностроения стало изобретение в 1901 году легированной электротехнический стали,

Пх = П1 П2 П3 П4 П5 = 0,9-0,6-0,9-0,9-0,9 = 0,3936.

Здесь Х - Т = п₁ - к.п.д котла; Т - М1 = п₂ - к.п.д. паровой тур­бины; М1 - Э1 = П3 - к.п.д синхронного трехфазного электрогене­ратора; Э1 - Э2 = п₄ - к.п.д линии электропередачи трехфазного переменного тока; Э2 - М2 = П5 - к.п.д асинхронного трехфазного двигателя переменного тока; iiz - суммарный к.п.д всего цикла пре­образования энергии.

Химическая энергия - Х первичного топлива в котле преобразу­ется в Т - тепловую энергию, далее в паровой турбине тепловая энергия преобразуется в М1 - механическую, далее происходит преобразование в электрическую энергию переменного тока и по линии электрической передачи электрическая энергия поступает потребителю Э2 для преобразования в механическую М2 в асин­хронных двигателях переменного тока или для преобразования в световую С в электрических лампочках, химическую Х, тепловую Т, электромагнитную ЭМ и т.д. В настоящее время процент преоб­разования электрической энергии в механическую остается высо­ким - около 60-65 %. Таким образом, цель работы технической системы остается в основном той же: выработка и доставка меха­нической энергии к рабочей машине, остается возможность приме­нения электрического освещения за счет преобразования электри­ческой энергии в световую и другие виды энергии. Суммарный к.п.д при этом составляет i|s = 0,3936. Расстояние от источника ме­ханической энергии до потребителя теперь может составлять сотни и тысячи километров.

С развитием систем энергетики изменения происходят и при по­треблении энергии, т.е. изменяется и сам потребитель. Изменяются требования к качеству потребляемой энергии. Электрическая энер­гия обладает той особенностью, что если на электрогенерирующей станции выработана некачественная энергия, то она будет тот час же использована потребителем. Рассмотрим изменения, происхо­дящие с требованиями о качестве энергии у потребителя. Сначала: бесперебойность подачи. Далее: Стабильность величины напряже­ния на шинах потребителя. Далее: при переходе на систему пере­менного трехфазного тока, возникает такой параметр качества как стабильность частоты и величина перекоса фаз. При дальнейшем развитии с появлением первых полупроводниковых систем возни­кает задача: обеспечение синусоидальности формы кривой напря­жений и токов на шинах потребителя.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что развитие систем энергетики происходит при постоянном повы­шении эффективности выработки и передачи энергопотоков, т.е. потоков механической, тепловой и электрической энергии. Это по­вышение эффективности является закономерным.