- teho vs. energia: teho on sähkön hetkellinen virtaus eli virta – eli sähkön tuotannon, siirron tai kysynnän nopeus. Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä se mitataan watteina. Energia on ajan kuluessa kulutetun tehon määrä, joka mitataan wattitunteina.
- energia = teho x aika: esimerkiksi jos generaattori tuottaa 100 megawattia (MW) tehoa kahden tunnin ajan, se luo 200 megawattituntia (MWh) energiaa. Keskimääräinen kotitalous kuluttaa noin 900 kilowattituntia (kWh) kuukaudessa.
sähkö on sähkövarauksen virta. Se tapahtuu luonnollisesti, mutta se on luotava ja jaettava erityisesti, jotta siitä olisi hyötyä ihmisille. Sähkön fyysiset perusteet määrittelevät, miten rakennamme ja käytämme sähköinfrastruktuuria varmistaaksemme luotettavan palvelun asiakkaille.
valtaosa Yhdysvaltain sähköstä tuotetaan suurilla voimalaitoksilla ja siirretään asiakkaille ”verkon kautta.”Sähköverkko eli siirtoverkko on voimajohtojen ja-laitteiden verkosto, jota käytetään sähkön siirtämiseen irtotavarana voimalaitoksista yhdyskuntiin. Paikallistasolla jakelulinjat ja laitteet siirtävät sähköä siirtoverkosta loppukäyttöasiakkaille. Yhä useammin asiakkaat tuottavat sähköä myös paikan päällä täyttääkseen osan tai kaikki tarpeensa, yleisimmin kattoaurinkopaneelien avulla.
sähkö on sekundaarinen energialähde, joka on johdettu primäärilähteestä. Ensisijaisia lähteitä ovat fossiilisiin polttoaineisiin varastoitunut kemiallinen energia ja biomassa; tuulen tai auringon liike-energiaa, atomien ytimiin varastoitunutta ydinenergiaa tai ylämäkeen varastoitunutta painovoima-energiaa. Tämä energia muuntuu mekaaniseksi energiaksi, joka pyörittää tai pyörittää magneetteja johdinkelojen ympärillä, jolloin syntyy sähkövirtoja ja jännitteitä.
jännite on sähkön sähkömotorisen voiman mitta. Tämä voidaan ajatella sähkön ”paineena”, joka on samanlainen kuin vesijohdon paine. Sähköasema ”tehostaa” voimalaitoksissa tuotetun sähkön jännitettä, jotta se voidaan kuljettaa suurjännitelinjojen kautta. Korkeajännitelinjat siirtävät tehoa tehokkaammin pitkillä matkoilla. Irtotavarana eli” tukkumyyntinä ” toimiva siirtoverkko operoi linjoja, joiden kapasiteetti vaihtelee muutamasta tuhannesta voltista jopa 750 000 volttiin. Tämä järjestelmä toimittaa virtaa vähittäisjakelujärjestelmiin, joissa muut Sähköasemat ”laskevat” paikallisjakelun jännitteen asiakkaille pienjännitelangoilla.
keskitetty sähköjärjestelmä
järjestelmän toiminta
luotettavuuden ylläpitämiseksi Yhdysvalloissa. sähköjärjestelmä pyrkii pitämään järjestelmän taajuuden lähellä 60 hertsiä, mutta kysynnän ja tarjonnan epätasapaino aiheuttaa poikkeamia tavoitteesta. Vakavat poikkeamat voivat aiheuttaa ongelmia sähköisen palvelun laadussa ja luotettavuudessa, kuten sähkökatkoja ja sähkökatkoja. Haastetta lisäävät käytännön rajat sähkön säästämiselle kustannustehokkaasti. Järjestelmän on siis tasapainotettava tuotantoa ja kysyntää samanaikaisesti, mikä edellyttää tuotannon tuotannon jatkuvaa mukauttamista kysynnän vaihteluun.
tuotantolaitoksilla on erilaisia toiminnallisia rajoituksia, jotka rajoittavat niiden kykyä vastata kysynnän muutoksiin. Generaattorit vaihtelevat, kuinka nopeasti ne voivat säätää tulostaan. Esimerkiksi maakaasulla toimivat generaattorit voivat yleensä muuttaa tuotantoaan nopeammin kuin hiilellä toimivat generaattorit. Generaattoreilla on myös rajoitettu ”lähetysalue”, joka viittaa niiden suurimman ja pienimmän tuotoksen väliseen eroon. Useimmat fossiiliset ja ydinyksiköt vaativat tunteja tai jopa päiviä käynnistyäkseen. Generaattorit voivat myös rajoittaa sitä, kuinka usein ne voivat käynnistyä ja pysähtyä yhden tai useamman päivän kuluessa. Yksiköt, joilla on parempi toimintakyky, tarjoavat enemmän tarjontajoustoa vastaamaan kysynnän vaihteluita. Esimerkiksi maakaasupolttoturbiinit voivat käynnistyä muutamassa minuutissa ja ne voidaan kytkeä päälle ja pois päältä useita kertoja päivässä.
sähköntarve eli” kuormitus ” vaihtelee tunnin sisällä ja vaihtelee huomattavasti vuorokaudenajan ja sääolosuhteiden mukaan. Kysyntä vaihtelee suuresti myös paikkakunnittain. Tuotantolaitosten ja kysynnän maantieteellinen hajaantuminen sekä siirtoverkon rajoitukset aiheuttavat siirtoruuhkia. Siirtoruuhkat rajoittavat mahdollisuutta lähettää tuotantoa vastaamaan kysyntään ahtailla alueilla. Tämä tapahtuu usein suuren kysynnän alueilla, kuten kaupungeissa, joissa siirtorajoitukset rajoittavat mahdollisuutta tuoda sähköä kaukaa.
sähköjärjestelmän tasapainottaminen edellyttää generaattorien lähettämisen koordinointia kysynnän tyydyttämiseksi. Tämä edellyttää kysynnän ennakointia, prosessia, joka tunnetaan nimellä ” kuorman ennustaminen.”Varautuakseen kysynnän muutoksiin verkko-operaattorin on asetettava generaattorit ennalta (eli käynnistettävä ne ja ajoittaa niiden toiminta) tunteja tai jopa päiviä etukäteen niiden toimintaominaisuuksien ja sijainnin perusteella. Reaaliaikaiset mukautukset ovat tarpeen ennakoimattoman kehityksen, kuten kuormitusennustevirheiden tai järjestelmän vikatilanteiden, korjaamiseksi. Reserve generation resources voi puuttua merkittäviin vikatilanteisiin, kuten äkilliseen mekaaniseen vikaan tuotantolaitoksessa tai voimajohdon menetykseen. Tuuli-ja aurinkoresurssien lisääntyminen, joiden teho vaihtelee sääolosuhteiden mukaan, tuo haastavan tarjontapuolen muuttujan verkon tasapainottamiseen.
voimalat ovat kuin pikajuoksijat
Voimailijoiden kyvyt voidaan analogisoida huippu-urheilijoiden kykyihin:
- se, miten nopeasti pikajuoksija juoksee, on sukua kasvin ”lähettämälle” eli tulostasolle.
- se, kuinka nopeasti pikajuoksija kiihtyy, on sukua ”rampille” eli lähdön muutosnopeudelle.
- pikajuoksijan huippunopeus vastaa tehtaan kapasiteettia eli maksimitehoa.
- urheilijan reagointikyky on samanlainen kuin aika, jonka voimala tarvitsee aloittaakseen voimantuotannon.
- sekä urheilijoiden että voimaloiden lyhyt – ja pitkäjänteinen suorituskyky riippuu ilmastoinnista (esim.välinehuollosta).
- sekä urheilijoiden että voimaloiden suorituskyky voi olla herkkä sääolosuhteille (esimerkiksi korkea lämpö alentaa monien voimaloiden tehoa).
järjestelmäsuunnittelu
luotettavan järjestelmän ylläpitäminen vaatii pitkän aikavälin suunnittelua, jotta voidaan varmistaa, että tulevaan kysyntään voidaan vastata riittävästi. Suurten tuotanto-ja siirtolaitosten rakentaminen kestää kolme tai useampia vuosia. Suunnittelu edellyttää tuotanto -, siirto-ja jakelulaitteiden sopivan koon määrittämistä, jotta voidaan vastata kuluttajien kulloinkin vaatimaan enimmäistehoon. Erityisesti tämä edellyttää riittävää tuotantokapasiteettia tai maksimitehoa huippukuormituksen täyttämiseksi sekä varavarausta järjestelmän vikatilanteessa.
suunnittelijat käyttävät pitkän aikavälin kuormitusennustetta arvioidakseen huippukysyntää. Kysyntäpuolen hallintaohjelmat, kuten sään ja tehokkaan valaistuksen edistäminen, voivat vähentää tarvetta investoida tuotantoon ja siirtoon. Siirto-ja jakeluverkkosuunnittelussa on myös huolehdittava riittävästä siirtovalmiudesta, jotta sähkövirrat voidaan sijoittaa huippuaikoina kaikissa paikoissa.
sähköjärjestelmän suunnittelussa on otettava huomioon sekä odotettu että odottamaton. Teknologian, politiikan ja kysynnän muutoksia on vaikea ennustaa. Suunnittelijoiden on otettava huomioon riskit ja epävarmuustekijät, kuten kuormituksen kasvuun vaikuttavat taloudelliset muutokset, lakisääteisten vaatimusten muutokset ja kuormaan tai asiakkaan omaan tuotantoon vaikuttavien häiritsevien teknologioiden lisääntyminen. Esimerkiksi tuuli-ja aurinkoenergian tuotantoa edistävät politiikat saattavat aiheuttaa tarvetta joustavan sukupolven lisäpalveluille, kuten pikalähtö-ja pikalähtövalmiudelle. Tulevaisuuden tuntemattomuus yhdistettynä sähköinfrastruktuurin pitkäjänteisyyteen vahvistaa riskien ja epävarmuuden hallinnan merkitystä sähkösuunnittelussa.
kuva tyypillisestä päivittäisestä sähköntarpeesta