XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Кинетический накопитель энергии. Комплексный отбор идей
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность проекта: Мы задались вопросом что происходит с электроэнергией, вырабатываемой на ТЭЦ 1 и ТЭЦ 2 города Тюмени в ночное время? И действительно, в современном мире существует проблема большой потери электроэнергии по причине её невостребованности в определённые промежутки времени. Наш проект актуален, так как с помощью него можно решить масштабную проблему потери избытков электроэнергии при работе электростанций в определенное время суток, тем самым уменьшить энергозатраты для выработки электричества, что послужит снижению пагубного влияния на экологию планеты при сжигании топлива.
Цель: разработать устройство, которое поможет накапливать избытки электроэнергии, вырабатываемой на электростанции и невостребованной потребителем в определенное время.
Задачи:
-
изучить различные интернет-источники по проблеме исследования;
-
сходить на экскурсию СУЭНКО;
-
проконсультироваться со специалистами в области энергетики;
-
провести тест-опрос потребителей электроэнергии в Тюмени;
-
изучить теорию и рассмотреть варианты накопителей энергии с наставниками;
-
подойти к отбору идей комплексно;
-
создать модель Кинетического накопителя энергии;
-
провести расчеты и предложить материал, из которого можно сделать кинетический накопитель;
-
создать 3D модель размещения Кинетических накопителей на территории ТЭЦ;
-
рассмотреть преимущества и недостатки Кинетических накопителей;
-
презентовать проект.
В качестве источников информации мы использовали сайты: Wikipedia, staby.ru, novostienergetiki.ru. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли методические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3].
Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 7 человек (Приложение, Рисунок 1.0), мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделили наш проект «Кинетический накопитель энергии» на 2 части. Подробное описание исследования проблемы проекта представлено в проекте других ребят из нашей команды - «Кинетический накопитель энергии. Исследование проблемы энергопотерь при выработке невостребованной электроэнергии на станциях». Эта работа также представлена в секции «физика» на XIX Международном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.
Глава 1 Изучение проблемы в интернет-источниках
В рамках темы исследования мы задались интересующим нас вопросом: что происходит с электроэнергией, вырабатываемой на ТЭЦ 1 и ТЭЦ 2 города Тюмени в ночное время, а именно:
-
в каком режиме работают ТЭЦ Тюмени: останавливают ли часть энергоблоков в ночное время суток?
-
что предпринимается в городе, чтобы поднять спрос на электроэнергию в ночное время суток?
-
есть ли излишки электроэнергии и что с ними происходит в ночное время: накапливается, передается или другое?
Таким образом, мы сформулировали предполагаемую проблему: большая потеря электроэнергии, по причине её невостребованности в определённые промежутки времени.
Город Тюмень и ближайшие населенные пункты юга Тюменской области электроэнергией обеспечивают две тепловые электростанции: ТЭЦ 1 и ТЭЦ 2 (Рисунок 1.1 Приложения). Мы рассмотрели их основные данные и параметры.
Тюменская ТЭЦ-1 — теплоэлектроцентраль, расположенная в городе Тюмень. Входит в состав ПАО «Фортум», основным акционером которого является финский энергоконцерн Fortum. [4]
Электростанция поставляет электрическую и тепловую энергию на оптовый рынок и обеспечивает централизованное теплоснабжение жилой и общественно-деловой застройки города Тюмень. Электростанция введена в работу 17 ноября 1960 года.
В 1968—1972 гг. в эксплуатацию была введена вторая очередь ТЭЦ в составе семи паровых котлов БКЗ-210-140Ф и двух паровых турбин Т-100-130, действующих до сих пор, несмотря на физический износ и моральное старение.
Промышленные потребители ТЭЦ-1 в течение последних десяти лет активно переходили на собственные источники теплоснабжения, что привело к существенному снижению промышленной нагрузки и резкому ухудшению эксплуатационных показателей введённых энергоблоков.
Основным топливом на станции является природный газ, аварийным — мазут. Источником холодного водоснабжения ТЭЦ-1 является река Тура.
ТЭЦ-1 расположена в восточной части города и является одним из двух основных источников тепла и электроснабжения города. Обеспечивает теплоснабжение Антипинского, Гилевского, Заречного, Затюменского и Центрального районов города Тюмени.
Тюменская ТЭЦ−2 — теплоэлектроцентраль, расположенная в юго-восточной части г. Тюмени, один из двух основных источников теплоснабжения города. [5] Тюменская ТЭЦ-2 расположена в юго-восточной части Тюмени, вблизи микрорайона Войновка. Она является самой крупной теплоэлектроцентралью в ПАО «Фортум» как по мощности, так и по выработке тепловой и электрической энергии, обладает современным оборудованием с высокой топливной эффективностью. В состав ТЭЦ входят 4 энергетических блока. В пиковой водогрейной котельной установлены 3 паровых котла и 3 пиковых водогрейных котла. Установленная электрическая мощность составляет 755 МВт, тепловая — 1 410 Гкал/ч.
Природный газ составляет 100 % топливного баланса электростанции, в связи с этим в атмосферу выбрасывается минимальное количество вредных веществ. Выдача электрической мощности осуществляется от ОРУ на напряжении 220 и 110 кВ. Система теплоснабжения — закрытая, с выдачей тепла по температурному графику 150/70 °C.
ТЭЦ-2 поставляет около 40 % тепла, необходимого городу. Расход электроэнергии на собственные нужды составляет: на выработку электроэнергии 272,262, на выработку тепловой энергии 104,936, на хозяйственные нужды 3,207 млн кВт•ч.
Передача электрической энергии от источника к конечному потребителю неизбежным образом связана с потерей части мощности и энергии в системе электроснабжения. [6, 7] Сюда относятся потери в линиях электропередач и потери электроэнергии в трансформаторах (Рисунок 1.2 Приложения).
Задачей энергетиков является не только обеспечение своих потребителей электроэнергией, но и максимально возможное сокращение потерь на ЛЭП, поскольку данные потери имеют достаточно большое значение. Чем меньше величина напряжения на линии, тем больше процентов потерь. Так, для низковольтных линий, процент потерь составляет около 6%. Потери происходят и на трансформаторах (около 3%). То есть, если от трансформатора мощностью 100 кВт подаётся ток напряжением 220 В для обеспечения жилого дома (к примеру, включающим 100 квартир) электроэнергией, на ЛЭП и внутри трансформатора ежечасно будет выделяться энергия в виде тепла (при прохождении тока проводники нагреваются), равная 9 % от потребляемой: если трансформатор работает на полную мощность (в каждой из сотни квартир электросеть нагружена на 1 кВт), то мощность потерь составит 9 кВт. Допустим, на производство 1 кВт*час электрической энергии производитель тратит 1 рубль. Ежечасно он будет получать убытки в размере 9кВт*час*1час*1руб. = 9руб. Если производитель обеспечивает электроэнергией 10 таких жилых домов, то ежечасный убыток составит 90 руб. Но это лишь на ЛЭП от трансформатора к потребителю. Также стоит учитывать потери на ЛЭП от электростанции к трансформатору. Для того, чтоб максимально сократить мощность потерь, на электростанциях напряжение тока значительно повышают (чем больше напряжение, тем меньше сила тока и, соответственно, мощность потерь). К примеру, на ЛЭП с напряжением до 10 кВ теряется около 3% передаваемой энергии, до 50 кВ – 2.5%, до 500 кВ – около 1.5%. Потери электроэнергии в трансформаторах – один из видов технических потерь электроэнергии, обусловленных особенностями физических процессов, происходящих при передаче энергии.
Потери электроэнергии в трансформаторе такой конфигурации складываются из:
-
потери на нагревание обмоток трансформатора;
-
потери на нагревание сердечника;
-
потери на перемагничивание сердечника.
Величина потерь электроэнергии в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала трансформаторной стали, из которой изготовлен сердечник.
Величина указанных потерь и КПД работы трансформатора определяется также величиной передаваемого напряжения и мощностью. Чем больше мощность трансформатора, тем выше КПД и ниже уровень потерь. При правильной конструкции коэффициент полезного действия трансформатора составляет 97-99%. Потери электроэнергии в трансформаторах определяются также длительностью их работы, поэтому одним из ключевых условий, обеспечивающих снижение потерь электроэнергии в трансформаторах, является отключение их при малых загрузках. Это возможно осуществить, если в ночное время, а также в выходные и праздничные дни питать работающие электроустановки, количество которых не особо велико, от одного трансформатора. Данная возможность обеспечивается наличием перемычек между подстанциями на низшем напряжении.
Для точного подсчета потерь электроэнергии в трансформаторе с двумя обмотками необходимы следующие данные:
-
паспортные: номинальная мощность трансформатора, потери холостого хода при номинальном напряжении и потери короткого замыкания трансформатора при номинальной нагрузке;
-
фактические: полное число часов работы трансформатора, число часов работы трансформатора с номинальной нагрузкой, энергия, учтенная по счетчикам.
По этим исходным данным определяются:
-
средневзвешенный коэффициент мощности трансформатора;
-
коэффициент нагрузки трансформатора;
-
потери электроэнергии в трансформаторе, в киловатт-часах.
Для расчета потерь электроэнергии в трансформаторе с тремя обмотками выделяются коэффициенты нагрузки для каждой из обмоток – высшего, среднего и низшего напряжений, и общие потери электрической энергии рассчитываются как средневзвешенная величина с учетом данных показателей.
Умение правильно рассчитать потери во всех звеньях системы электроснабжения, выявить их ключевые составляющие и установить приоритетные направления по снижению потерь и экономии электроэнергии — основное условие правильной эксплуатации электрической сети, в частности, снижения потерь электроэнергии в трансформаторах.
Глава 2 Комплексный отбор идей
В результате нашего исследования мы изучили проблему проекта, провели демонстрацию рассмотренных способов аккумулирования энергии нашим наставникам и отметили плюсы и минусы всех устройств. Также, мы рассмотрели возможность использования отдельных видов накопителей в Тюменском регионе.
2.1 Механические накопители
Механические накопители – небольшие устройства которые используют пружину и устройство для её сжатия. Когда поступают излишки энергии, это устройство сжимает пружину, а когда излишки перестают поступать, это устройство переходит в режим генератора, пружина выпрямляется и вырабатывает энергию обратно (Рисунок 2.1.1 Приложения).
Плюсы:
-
небольшие габариты;
-
долговечность;
-
независимость от погодных и географических условий.
Минусы:
-
энергоёмкость зависит от размера и материалов.
Подходят для нашего региона, можно рассмотреть.
2.2 Гравитационные жидкостные накопители
Гравитационные жидкостные накопители – небольшие станции которые используют два резервуара, один на возвышенности и один ниже. Когда на станцию поступают излишки энергии станция переходит в режим насоса и перекачивает воду или другую жидкость в верхний резервуар. А когда энергия перестаёт поступать станция переходит в режим генератора, под действием силы тяжести вода перетекает вниз, вращает турбину и генератор вырабатывает энергию обратно (Рисунок 2.2.1 Приложения).
Плюсы:
-
высокая надёжность;
-
высокая энергоэффективность.
Минусы:
-
сложная конструкция;
-
высокая стоимость построения;
-
зависимость от местонахождения.
Не подходит для нашего региона по причине погодных условий.
2.3 Электрохимические накопители энергии
Электрохимические накопители используют электрическую энергию для осуществления химических реакций, преобразующих её в химическую энергию в режиме «заряд», и возвращают в виде электрической энергии в режиме «разряд». При этом изменяется состав вещества электродов и расходуется электролит (Рисунок 2.3.1 Приложения).
Плюсы:
-
большая энергоэффективность
-
отсутствие предпочтений к расположению
Минусы:
-
недолговечность
-
требуют много пространства
Подходят для нашего региона, но не выгодны.
2.4 Воздухоаккумулирующие станции
Воздухоаккумулирующие станции используют подземный резервуар, компрессор и генератор. Когда на станцию поступают излишки энергии запускается компрессор и закачивает воздух в подземный резервуар, когда поступление энергии прекращается, воздух под давлением идёт в генератор и он вырабатывает энергию обратно (Рисунок 2.4.1 Приложения).
Плюсы:
-
простая в использовании.
Минусы:
-
зависимость от местоположения;
-
сложность построения подземной конструкции.
Не подходят для нашего региона, по причине сложной дорогостоящей подземной конструкции
Глава 3 Кинетический накопитель энергии
3.1 Устройство кинетического накопителя
Кинетический накопитель имеет очень простое устройство: тяжёлый маховик, находящийся внутри кожуха с разряженной средой, постепенно разгоняется электродвигателем при избытке энергии. Весь избыток вырабатываемой энергии на ТЭЦ будет направлен на вращение кинетического накопителя. В случае недостатка энергии, ротор будет медленно отбирать скорость у маховика и трансформировать её в электричество, компенсирующее недостаток. Простота конструкции позволит не только легко воссоздавать такие накопители в любом удобном месте и относительно легко ставить их стройку на поток, но и позволит при правильном обслуживании увеличить срок службы этих гигантов до нескольких сотен лет активной эксплуатации. Самый главный плюс этих накопителей, помимо огромного срока службы, это ещё и не фиксированная выдача энергии, которая будет зависеть от недостающего кол-во энергии в сети.
3.2Расчеты эффективности кинетического накопителя
Наши размышления мы начали с выделения «важных качеств» для накопителя: пиковых показателей и материалов.
Пиковые показатели кинетического накопителя по большей части зависят от материала, из которого изготовлен маховик. Таким образом, одно вытекает из другого, следовательно, нами были произведены расчеты энергоёмкости для четырёх самых, по нашему мнению, перспективных материалов, таких как: графит, сталь, стеклокомпозит и свинец.
Расчёт производился по формуле: E=(mr2