Методы передачи электроэнергии на расстояние

История мировой электроэнергетики

Электроэнергетика – стратегическая отрасль экономической системы любого государства. История возникновения и развития ЭЭ берёт своё начало с конца XIX столетия. Предтечей появления промышленной выработки электроэнергии являлись открытия основополагающих законов о природе и свойствах электрического тока.

Отправной точкой, когда возникли производство и передача электроэнергии, считают 1892 год. Именно тогда была построена первая электростанция в Нью-Йорке под руководством Томаса Эдисона. Станция стала источником электрического тока для ламп уличного освещения. Это был первый опыт перевода тепловой энергии от сгорания угля в электричество.

С тех пор началась эра массового строительства тепловых электростанций (ТЭС), работающих на твёрдом топливе – энергетическом угле. С развитием нефтяной промышленности появились огромные запасы мазута, которые образовывались в результате переработки нефтепродуктов. Были разработаны технологии получения носителя тепловой энергии (пара) от сжигания мазута.

С тридцатых годов прошлого века получили широкое распространение гидроэлектростанции (ГЭС). Предприятия стали использовать энергию ниспадающих потоков воды рек и водохранилищ.

В 70-е годы началось бурное строительство атомных электростанций (АЭС). Одновременно с этим стали разрабатываться и внедряться альтернативные источники электроэнергии: это ветровые установки, солнечные батареи, щелочно-кислотные геостанции. Появились мини установки, использующие тепло для получения электричества в результате химических процессов разложения навоза и бытового мусора.

Передача и распределение электроэнергии

За процесс передачи и распределения электрической энергии отвечают несколько основных типов систем, работающих в связке, которые образуют электроэнергетическую сеть:

• подстанция;
• распределительное устройство;
• ЛЭП или линии электропередачи.

Электроэнергетическая сеть — это комплекс электрических установок, предназначенных для передачи и распределения полученной энергии. Она состоит и токопровода, распределителя, кабельных и воздушных ЛЭП, действующих в определенной локации.

Подстанция служит для трансформации и распределения электрической энергии. Она состоит из трансформаторов (либо иных преобразователей энергии) и оборудования для распределения, мощного аккумулятора, других дополнительных устройств и сооружений.

Распределительное оборудование представляет собой установку, которая служит для приема и распределения энергии. Она состоит из следующих коммутационных устройств:

• Сборные/соединительные шины.
• Компрессоры.
• Аккумуляторы.
• Защитные устройства.
• Средства автоматизации.
• Измерительные приборы.

ЛЭП или линии электропередач воздушных и кабельных видов напряжения. Они представляют собой электрическую установку, которая служит для транспортировки электроэнергии на дальние расстояния, с одним и тем же напряжением, без дополнительного преобразования.

Для всех видов электроэнергии существуют индивидуальные методы монтажа, подключения, эксплуатации и расчета, в зависимости от признаков и источников энергии.

Производство и реализация солнечной электроэнергии как бизнес проект

Теперь составляем бизнес-план, грамотно подбираем нишу и целевую аудиторию. Популярность альтернативных ресурсов энергии растет с каждым днем. Если в Европе, Америке и скандинавских странах солнечными батареями мало кого удивишь, то у нас эта ниша практически не занята. Во всем мире бизнес-идеи, связанные с использованием солнечных батарей, хоть и требуют крупных вложений, но активно поддерживаются инвесторами и венчурными фондами, а также быстро окупаются и приносят прибыль.

С чего начать: аспекты, которые нужно учесть в бизнес-плане

В бизнес-плане учтите типичные для любого бизнеса вопросы: где искать поставщиков, какое оборудование закупить и какие помещения подойдут под офис/склад. Стоит выделить время на оформление ИП или других форм собственности, а также получить все необходимые разрешения на установку систем альтернативной энергии

Обратите внимание, что при поставке своих услуг, нужно будет составлять договора. Продумайте этот момент, так как типовых документов по этому вопросу мало, а коммерческие организации однозначно будут требовать от вас документацию должного уровня

Подбираем нишу и определяем целевую аудиторию

Существует множество вариантов подбора целевой аудитории под цели и планы вашего бизнеса:

1. Если вы будете оборудовать дома системами переработки солнечной энергии в тепло для батарей или в электричество, нужно ориентироваться на владельцев собственных домов или загородных дач с высоким уровнем дохода.
2. Если же вы будете ориентироваться на обслуживание коммерческих объектов, например, устанавливать комплекты батарей для обогрева бассейнов, стоит искать клиентов среди спортивных центров, закрытых аквапарков, крупных SPA-центров, игровых зон.
3. Также можно устроить производство электричества за счет солнечных батарей для продажи электричества по «зеленому тарифу». Концепция этого способа уже упоминалась: вы подключаете на производстве «зеленый счетчик», который отчитывает, сколько энергии потребило предприятие, а сколько «залило» обратно в сеть. Разницу в денежном эквиваленте вам выплачивает государство.

Потери электроэнергии

Причины потерь при передаче электрической энергии на расстояние кроются в строении вещества. Электрический ток – это направленное движение по проводнику свободных носителей зарядов. В случае с ЛЭП и кабелями их роль играют электроны. Эти частицы, проходя по сечению провода, неизбежно сталкиваются с окружающими их атомами меди или алюминия и сообщают им часть своей кинетической энергии. Микрочастицы металла за счёт этого удара становятся подвижнее, что и воспринимается органами чувств человека как повышение температуры.

Количество теплоты Q, выделенной в проводнике за время t и потерянной впустую, вычисляется по закону Джоуля – Ленца. Оно пропорционально квадрату протекающего в проводе тока I и его сопротивлению R

Q = I2Rt.

Дополнительная информация. Потери электричества имеются и в трансформаторе. К самым большим из них относятся затраты энергии на создание вихревых токов в сердечнике и нагрев обмоток.

Тепловые электрические станции – ТЭС

На тепловых электростанциях России производится примерно 70% всей электрической энергии. Они работают на мазуте, газе, угле, а в определенных местностях используется торф и сланцы.

Все ТЭС можно условно разделить на два основных вида. Первый вариант является так называемым паротурбинным, где первичным двигателем служит паровая турбина. Эти устройства могут быть конденсационными (КЭС), вырабатывающими только электроэнергию, и теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), производящими не только электричество, но и тепло. Коэффициент полезного действия ТЭЦ составляет 60-70%, а у КЭС этот показатель равен 30-40%. Основным недостатком тепловых станций считается их обязательная привязка к потребителям тепла.

Положительных качеств у тепловых электростанций значительно больше. Они свободно размещаются на всех территориях, где имеются природные ресурсы и не подвержены сезонным колебаниям погодных условий. Однако, используемое топливо является не возобновляемым, а сами установки негативно влияют на экологическую обстановку. Российские ТЭС не имеют достаточно эффективных систем очистки выходящих газов от вредных и токсичных веществ. Более экологичными считаются газовые установки, но трубопроводы, проложенные к ним, наносят непоправимый вред природе.

Электростанции, расположенные в европейской части Российской Федерации, работают в основном на мазуте и природном газе, а в восточных районах они располагаются возле месторождений угля, добываемого открытым способом. Большинство установок относится к государственным районным электростанциям – ГРЭС, входящим в Единую энергосистему страны.

Устройство комнаты генераторной для ГПЭ

Монтажные и пуско-наладочные работы провести своими силами не удастся при всем желании, если только речь не идет о генераторах малой мощности. Но подготовить помещение или площадку для установки электростанции вполне реально: это поможет частично сэкономить на дорогостоящих услугах монтажных организаций.

Открытое размещение. При монтаже установки с электрической мощностью более 500 кВт потребуется устройство бетонной площадки, оборудованной средствами пассивного виброгашения. Главный плюс открытого размещения энергоблока — эффективный отвод тепла и отсутствие необходимости в устройстве систем дымоудаления. Для повышения удобства работы обслуживающего персонала над оперативными панелями и механическим блоком сооружают навес.

Установка в помещении. Потребность в полной изоляции энергетической установки зависит от климатического исполнения оборудования. Помещение должно иметь продвинутую систему приточно-вытяжной вентиляции и пожаротушения. Система дымоудаления представлена спаренными общим коллектором дымососами. Потребуется установка вытяжной трубы, пропускная способность и высота которой выбирается в соответствии с рекомендациями производителя оборудования. Требования к зданиям тепловых электростанций регламентируется СНиП II-58–75.

Проблемы подключения к электросети

Чем характерна процедура подключения к сети и получение лимитов на мощность и количество электроэнергии? Каковы российские реалии при подключении к электросетям общего пользования?

Прежде всего, предприниматель столкнется с необходимостью выполнения технических условий сетевой компании, которая будет поставлять ему электроэнергию. Все начнется с заявки в соответствующую территориальную компанию. Заявка рассматривается в законодательно оговоренный срок, и в случае положительного решения между потребителем и энергосбытовой компанией заключается договор.

В зависимости от предполагаемого количества электроэнергии, а также от наличия или отсутствия инфраструктуры передачи электроэнергии — трансформаторных подстанций (ТП), линий электропередач (ЛЭП) или электрокабелей — заказчику придется за свой счет построить ТП либо, в случае нехватки пропускной способности, модернизировать питающие его трансформаторы, высоковольтные ячейки, ЛЭП и т.д.

А после этого безвозмездно передать все оборудование на баланс сетевой компании! Ориентировочная стоимость трансформаторной подстанции высокой степени готовности 6,3/0,4 кВ в зависимости от мощности (до 5 МВт) начинается от 2 млн. рублей. Причем трансформаторные подстанции отличаются друг от друга по составу оборудования и исполнению, невозможно определить её стоимость при отсутствии проектной документации.

Проектная документация на трансформаторной подстанции оплачивается отдельно, как и дополнительные услуги-работы, среди которых:  

• проекта прокладки сетей,
• монтаж, наладка и сдача ТП эксплуатирующей организации,
• шеф-монтаж поставляемого оборудования,
• техническая поддержка заказчика.

Каждая высоковольтная ячейка обходится в среднем в 600 тысяч рублей. Строительство ЛЭП с напряжением 6,3 кВ обойдется в среднем от 250.000 до 700.000 рублей за 1 км трассы. Прокладка силового кабеля — в зависимости от сложности прокладки, плюс немалая стоимость собственно кабеля.

Кроме прямых затрат на строительство заказчику требуется разработать и согласовать во всех необходимых инстанциях проект, который должен разрабатываться как на новое строительство, так и на модернизацию существующего оборудования.

Отсюда и соответствующие сроки присоединения, которые зависят как напрямую от объема требуемых работ, так и косвенно — от наличия резерва мощности и планов по вводу генерирующих мощностей территориальной компанией.

Официальная стоимость подключения к сетям среднего напряжения от 6 до 20 кВ каждого нового или дополнительного киловатта составляет (в зависимости от региона России) от 10 до 45 тыс. рублей. Стоимость подключения в Москве соответствует верхней границе указанного диапазона, а в центре столицы она достигает 102.000 рублей за 1 кВт!

Пройдя все инстанции, построив всю необходимую сетевую инфраструктуру, разработав и согласовав проекты по строительству и модернизации, заплатив за подключение к энергосети и потратив огромное количество времени и денег на проектировщиков и подрядчиков, предприниматель остается один на один с сетевой компанией. Он абсолютно не застрахован от роста тарифов на электроэнергию, перебоев с ее поставками, а также от ее неудовлетворительного качества энергоснабжения.

Что такое ЛЭП

Математические расчеты показывают, что величина потерь в проводах на нагрев обратно пропорциональна квадрату напряжения. Именно поэтому электроэнергию на большие расстояния передают при помощи ЛЭП — высоковольтных линий электропередач. Между их проводами напряжение исчисляется десятками, а порой сотнями тысяч вольт.

Электростанции, расположенные неподалеку друг от друга, объединяются в единую энергосистему именно при помощи ЛЭП. Производство электроэнергии в России и ее передача ведутся путем централизованной энергетической сети, в которую входит огромное количество электростанций. Единое управление системой гарантирует постоянную подачу потребителям электроэнергии.

Обучение специалиста

Ремонт электрического оборудования

Каждое учебное заведение публикует список специальностей разной квалификации. Колледжи и техникумы готовят специалистов среднего звена. ВУЗы выпускают инженеров-энергетиков. Массовое обучение студентов востребовано дефицитом специалистов в энергетической сфере страны. Абитуриенты при поступлении в учебные заведения планируют, кем они будут работать в электроэнергетике и электротехнике.

Описание профессий имеет значение при выборе специальности будущим студентом. Молодые люди ориентируются по наличию вакансий для профессиональных энергетиков, электротехников и электронщиков на рынке труда страны. Коренное значение имеют величина зарплаты и перспектива профессионального роста молодого специалиста в энергетической сфере.

Класс для занятий по электронике

После школьной скамьи молодые люди, решившие получить специальное образование, могут стать электриками после обучения в колледже или техникуме. По окончании учёбы молодому специалисту будет присвоена средняя квалификация электротехника или техника электронщика.

Обратите внимание! Степень квалификации будущего энергетика зависит от вида учебного заведения. Магистратура (ВУЗы) готовит специалистов высшего профессионального звена. Бакалавриат (техникумы и колледжи) выпускает электриков среднего уровня

Бакалавриат (техникумы и колледжи) выпускает электриков среднего уровня.

Электричество в каждом

Но впервые наука обратила внимание на электрофизику, а точнее на способность живых организмов вырабатывать электричество, после презабавного случая с лягушачьими лапками в XVIII, которые в один ненастный день где-то в Болонье, начинали дергаться от соприкосновения с железом. Зашедшая в лавку мясника за французским деликатесом, жена болонского профессора Луиджи Гальватти, увидела эту ужасную картину и рассказала мужу о нечистой силе, которая бушует по соседству

Но Гальватти посмотрел на это с научной точки зрения, а спустя 25 лет упорных трудов вышла его книга «Трактаты о силе электричества при мышечном движении»

В ней ученый впервые заявил – электричество есть в каждом из нас, а нервы это своеобразные «электропроводы»

Но Гальватти посмотрел на это с научной точки зрения, а спустя 25 лет упорных трудов вышла его книга «Трактаты о силе электричества при мышечном движении». В ней ученый впервые заявил – электричество есть в каждом из нас, а нервы это своеобразные «электропроводы».

Нетрадиционные источники энергии

Альтернативные (нетрадиционные) источники энергии – процессы и вещества, существующие в природном пространстве, с помощью которых можно получать необходимую энергию. Простыми словами – это возобновляемые источники энергии. К ним относят:

• солнечную энергию;
• ветровую энергию;
• биоэнергетику;
• геотермальную энергию;
• энергию атмосферного электричества;
• энергию морей и океанов;
• грозовую энергетику.

Использование альтернативных источников энергии позволяет снизить зависимость человека от невозобновляемых  ресурсов. Кроме того такие источники положительно сказываются на экологии окружающей среды.

Итак, давайте посмотрим, какие же альтернативные источники энергии используются в нашей стране:

Солнечные электростанции – в последнее время все больше распространяются среди населения. Энергию получают благодаря специальным фотоэлементам, которые устанавливают на отдельных объектах или гелиостанциях. Солнечные батареи, в качестве источника энергии, стали использовать для освещения улиц, работы светофоров

Эффективность солнечных электростанций зависит от погодных условий, для их работы важно большое количество солнечных дней. В России лучшими районами для строительства станций являются Краснодарский край, Крым, Восточная Сибирь, Магаданская область

На сегодня мощность всех солнечных станций превышает 400 МВт. Одни из крупнейших -Орская (Оренбургская обл.), Бурибаевская (Республика Башкортостан). Более 10 электростанций мощностью 20 МВт функционируют в Крыму.

Ветряные электростанции – они работают благодаря установке ветряков-преобразователей. Для их строительства требуются значительные площади. Для большей эффективности ветряки устанавливают в 10-12 км от побережья морей, в степи. В России лучшие районы – крайний север, побережья морей в северной, восточной и юго-западной части страны.В промышленных масштабах электроэнергия вырабатывается на Зеленоградской (Калининградская обл.), Останинской (Крым), Тарханкутской (Крым) и Сакской (Крым) ветровых установках. В перспективе создание еще 22 ветряных электростанций общей мощностью 2500 МВТ.

Геотермальный – еще один нетрадиционный источник получения энергии. Используется тепло, выделяемое земной корой. В Российской Федерации получить его можно на Дальнем Востоке, Кавказе, в Краснодарском и Ставропольском крае. В этих регионах температура геотермальных вод достигает +125 градусов. В стране функционирует 5 геотермальных электрических станций – Паужетская, Мутновская и Верхне-Мунтовская на Камчатке, Менделеевская на острове Кунашир и Океанская на острове Итуруп.

Гидроэнергетика – это самый распространенный вид нетрадиционных источников энергии в России. Кроме строительства гидростанций на реках, в стране используется энергия приливов. В Мурманской области функционирует Кислогубская приливная электростанция. Сейчас разрабатываются проекты строительства таких станций в Белом и Охотском морях.

Биотопливо – использование этого нетрадиционного источника энергии в данный момент не распространено. Но благодаря развитию лесной и деревообрабатывающей промышленности, он может стать перспективой ближайшего будущего. В последнее время в стране строятся заводы по переработке отходов древесины. Из них производят топливные брикеты и пеллеты (гранулы). Они служат топливом для различных котлов, в процессе чего вырабатывается тепловая и электрическая энергия. Отходы сельскохозяйственных культур – источники жидкого топлива и биогаза.

Принципы производства электрической энергии

Источником электрической энергии на станциях являются машинные генераторы (Рис. 3).

Рисунок 3 — Генератор с обозначением его основных элементов

В них происходит преобразование механической энергии в электрическую.

Принцип работы генератора переменного тока основан на законе электромагнитной индукции (рисунок 4).

Рисунок 4 — Принцип работы генератора переменного тока: F-cила, вращающая рамку, I-ток, протекающий в рамке, S-площадь рамки

В зависимости от рода первичных двигателей электрические станции разделяют на тепловые, гидравлические и ветросиловые.

Несмотря на различие конструкции электростанции и способа преобразования в электрическую энергию, принцип действия у всех почти одинаковый. На рисунках в приложении 1. представлены схемы принципа работы часто встречающихся электростанций.

Большинство электростанций объединены в энергетические системы. При быстронарастающей нагрузке могут потребоваться быстрозапускающиеся паротурбинные агрегаты, а также дизельные агрегаты.

Кратковременные перерывы в электроснабжении могут возникнуть при восстановлении питания устройствами автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического включения резерва (АВР). Поэтому для электроприемников, не допускающих вообще перерывов питания, применяют высоконадежные автономные местные источники.

В качестве местных источников реактивной мощности применяют:

• синхронные генераторы заводских ТЭЦ и других регулярно работающих заводских электростанций и генераторных установок;
• синхронные двигатели с cosφ 0,9;
• конденсаторные батареи.

Источниками питания для цеховых электроприемников являются цеховые трансформаторные подстанции (ЦТП). Число трансформаторов на ЦТП выбирают один или два.

Знаменитый план ГОЭРЛО

Начиная с 1947 года СССР стал первым в Европе и вторым в мире производителем электроэнергии. Именно благодаря плану ГОЭЛРО была сформирована в кратчайшие сроки вся отечественная экономика. Производство и потребление электроэнергии в стране вышло на качественно новый уровень.

Выполнение намеченного стало возможным благодаря сочетанию сразу нескольких важных факторов: высокого уровня научных кадров страны, сохранившегося с дореволюционных времен материального потенциала России, централизации политической и экономической власти, свойству российского народа верить «верхам» и воплощать провозглашаемые идеи.

План доказал эффективность советской системы централизованной власти и государственного управления.

Топливная энергетика

Отрасль тяжёлой промышленности, занимающаяся добычей, обогащением, переработкой и потреблением нефти, газа, угля, торфа и сланцев с целью их дальнейшего потребления. В структуре энергетического баланса России:

• На первом месте находится газ – 55%.
• На втором – нефть 21%.
• На третьем – уголь 17%.
• На долю ядерной энергетики и возобновляемых ресурсов приходится 7%.

Нефтегазовая отрасль

Ведущая среди отраслей российской промышленности, обеспечивающая почти половину экспорта в финансовом выражении. За 2019 год в стране было добыто:

• Нефти – 560,2 млн. т.
• Газа – 737,59 млрд. м3.

Разведанные запасы нефти на территории России составляют 109,5 баррелей, что равняется 6,4% общемировых запасов. Доказанные газовые (природный + сланцевый газ) запасы оцениваются в 47,8 трлн. м3. Что показывает 24,23% в общемировом балансе.

Нефтегазовая отрасль

Нефтегазовая отрасль России сегодня представлена 11 крупнейших вертикально-интегрированных компаний. На их долю приходится более 95% добычи этого важнейшего энергоресурса. В семёрку крупнейших фирм по размеру прибыли, входят:

• Газпром.
• Роснефть.
• Сургутнефтегаз.
• Лукойл.
• Татнефть.
• Руснефть.
• НОВАТЭК.

Основные нефтяные ресурсы страны сосредоточены в Западной Сибири. Кроме того, имеются богатые месторождения в Татарстане, Башкирии, на Северном Кавказе, в Прикаспийской низменности, на острове Сахалин и в шельфах ряда морей.

Там же располагаются значительные запасы газа, к которым можно добавить: Оренбургское, Северное (Республика Коми), Астраханское месторождения. Очень перспективными запасами газа обладают морские шельфы в Баренцевом, Карском и Охотском морях.

Добыча угля и других горючих ископаемых

Старейшая отрасль, начало становления, которой относится к первым десятилетиям XIX века, не утратила своих позиций и к настоящему времени. Уровень добычи угля в 2019 году равнялся 440,65 млн. т, что на 0,2% выше показателя 2018 года.

На территории нашей страны расположены 12 крупнейших каменноугольных и 4 буроугольных бассейнов. По уровню добычи этого природного ископаемого Россия занимает шестое место в мире, экспортируя его в десятки стран Европы и Азии. Качественные характеристики угля подразделяются его на антрацит, каменный и бурый уголь, являющиеся ещё и сырьём для химической промышленности.

Экономическая мощь России в этой области представлена:

• 50 компаниями, среди которых лидирующие позиции занимают: «Сибирская угольная энергетическая компания», «Кузбасразрезуголь», «СДС-Уголь» и другие.
• 161 предприятием, включающим в себя 50 шахт и 108 разрезов.

К другим горючим ископаемым, традиционно используемым на территории России, относятся:

• Торф. Его запасы на территории 46 тыс. месторождений России оцениваются в 160 млрд. т. Используется в качестве топлива, удобрения и теплоизоляционного материала.
• Горючие сланцы. 37 млрд. т составляют его разведанные запасы, при ресурсах, оцениваемых в 850 млрд. т. В основном они находят применение в качестве топлива для ТЭС, химического сырья, а также исходного материала в строительной индустрии (зола) и медицине (получаемая из сланцев смола).

Полезные ссылки

Березовская ГРЭС-1

Состояние:
в эксплуатации

Тип электростанции:
Тепловые электростанции

Электрическая мощность:
2 400 МВт

Каширская ГРЭС

Состояние:
в эксплуатации

Тип электростанции:
Тепловые электростанции

Электрическая мощность:
1 910 МВт

Пермская ГРЭС

Состояние:
в эксплуатации

Тип электростанции:
Тепловые электростанции

Электрическая мощность:
3 363 МВт

Троицкая ГРЭС

Состояние:
в эксплуатации

Тип электростанции:
Тепловые электростанции

Электрическая мощность:
2 234 МВт

Основные виды электростанций

Производство и распределение электроэнергии в большинстве стран ведутся путем строительства и эксплуатации ТЭС — тепловых электростанций. Их функционирование требует большого запаса органического топлива, условия добычи которого из года в год усложняются, а стоимость растет. Коэффициент полезной отдачи топлива в ТЭС не слишком высок (в пределах 40%), а число экологически грязных отходов велико.

Все эти факторы снижают перспективность такого способа выработки.

Наиболее экономично производство электроэнергии гидроэнергетическими установками (ГЭС). КПД их доходит до 93%, себестоимость 1 кВт/ч впятеро дешевле других способов. Природный источник энергии таких станций практически неисчерпаем, количество работников — минимально, ими легко управлять. По развитию данной отрасли наша страна — признанный лидер.

К сожалению, темпы развития ограничены серьезными затратами и длительными сроками строительства ГЭС, связанными с их удаленностью от больших городов и магистралей, сезонным режимом рек и трудными условиям работы.

Кроме того, гигантские водохранилища ухудшают экологическую ситуацию — затапливают ценные земли вокруг водоемов.