- moc kontra energia: moc to chwilowy przepływ energii elektrycznej lub prąd-to jest szybkość produkcji, transferu lub zapotrzebowania na energię elektryczną. W międzynarodowym systemie jednostek jest mierzona w watach. Energia to ilość energii zużywanej w czasie, która jest mierzona w watogodzinach.
- Energia = Moc X czas: na przykład, jeśli generator wytwarza 100 megawatów (MW) mocy przez dwie godziny, wytwarza 200 megawatogodzin (MWh) energii. Przeciętne gospodarstwo domowe zużywa około 900 kilowatogodzin (kWh) miesięcznie.
energia elektryczna jest przepływem ładunku elektrycznego. Występuje naturalnie, ale musi być stworzony i rozpowszechniany w szczególny sposób, aby był użyteczny dla ludzi. Fizyczne podstawy energii elektrycznej określają, w jaki sposób budujemy i wykorzystujemy infrastrukturę elektryczną, aby zapewnić niezawodną obsługę klientów.
zdecydowana większość energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych jest wytwarzana przez duże elektrownie i przekazywana klientom za pośrednictwem sieci ” grid.”Sieć lub system przesyłowy to sieć linii energetycznych i urządzeń wykorzystywanych do masowego transportu energii elektrycznej z elektrowni do społeczności. Na poziomie lokalnym linie dystrybucyjne i urządzenia przesyłają energię z systemu przesyłowego do odbiorców końcowych. Coraz częściej klienci wytwarzają również energię elektryczną na miejscu, aby zaspokoić niektóre lub wszystkie swoje potrzeby, najczęściej za pośrednictwem paneli słonecznych na dachu.
energia elektryczna jest wtórnym źródłem energii pochodzącym ze źródła pierwotnego. Podstawowe źródła obejmują energię chemiczną składowaną w paliwach kopalnych i biomasie; energia kinetyczna wiatru lub słońca; energia jądrowa przechowywana w jądrach atomów; lub energia grawitacyjna przechowywana w zaporze pod górę. Energia ta zamienia się w energię mechaniczną, która wiruje lub obraca magnesy wokół zwojów drutu, które w ten sposób indukują prądy elektryczne i napięcia.
napięcie jest miarą siły elektromotorycznej energii elektrycznej. Można to uznać za” ciśnienie ” energii elektrycznej, podobne do ciśnienia w linii wodnej. Podstacja „podnosi” napięcie energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach, aby przetransportować ją liniami przesyłowymi wysokiego napięcia. Linie o wyższym napięciu efektywniej przenoszą energię na duże odległości. Masowy lub „hurtowy” system przesyłowy obsługuje linie o mocy od kilku tysięcy woltów do nawet 750 000 woltów. System ten dostarcza energię do detalicznych systemów dystrybucyjnych, gdzie inne podstacje „obniżają” napięcie do lokalnej dystrybucji do klientów na przewodach niskiego napięcia.
scentralizowany system elektroenergetyczny
działanie systemu
w celu utrzymania niezawodności, USA system elektryczny stara się utrzymać częstotliwość systemu w pobliżu 60 herców, ale nierównowaga podaży i popytu powoduje odchylenia od tego celu. Poważne odchylenia mogą powodować problemy z jakością i niezawodnością usług elektrycznych, takie jak przerwy w dostawie prądu i zaniki napięcia. Wyzwanie to pogłębia praktyczne ograniczenia dotyczące magazynowania energii elektrycznej w sposób opłacalny. W związku z tym system musi jednocześnie równoważyć wytwarzanie i popyt, co wymaga ciągłego dostosowywania produkcji do wahań popytu.
istnieje wiele ograniczeń operacyjnych, z którymi borykają się zakłady wytwórcze, które ograniczają ich zdolność do dostosowywania się do zmian popytu. Generatory różnią się szybkością regulacji mocy. Na przykład generatory opalane gazem ziemnym zazwyczaj mogą zmieniać swoją moc szybciej niż Generatory opalane węglem. Generatory mają również ograniczony „zasięg dyspozytorski”, który odnosi się do różnicy między ich maksymalną i minimalną mocą wyjściową. Większość jednostek kopalnych i jądrowych wymaga godzin, a nawet dni, aby rozpocząć. Generatory mogą być również ograniczone pod względem częstotliwości uruchamiania i zatrzymywania w ciągu jednego lub kilku dni. Jednostki o lepszych możliwościach operacyjnych zapewniają większą elastyczność dostaw, aby dopasować się do wahań popytu. Na przykład turbiny spalinowe na gaz ziemny mogą uruchamiać się w ciągu kilku minut i być włączane i wyłączane wiele razy dziennie.
zapotrzebowanie na energię elektryczną lub” obciążenie ” zmienia się w ciągu każdej godziny, znacznie różniąc się w zależności od pory dnia i pogody. Popyt również różni się znacznie w zależności od lokalizacji. Geograficzne rozproszenie instalacji wytwórczych i popytu, wraz z ograniczeniami systemu przesyłowego, skutkuje ograniczeniami przesyłu. Ograniczenia przesyłowe ograniczają możliwość wysyłania generacji w celu zaspokojenia popytu w ograniczonych obszarach. Często zdarza się to w obszarach o wysokim zapotrzebowaniu, takich jak Miasta, gdzie ograniczenia przesyłowe ograniczają możliwość importu energii z daleka.
Bilansowanie systemu elektroenergetycznego polega na koordynacji wysyłek generatorów w celu zaspokojenia popytu. Wymaga to przewidywania popytu, procesu znanego jako ” prognozowanie obciążenia.”Aby przygotować się na zmiany popytu, operator sieci musi wstępnie ustawić Generatory (tj. włączyć je i zaplanować ich pracę) z wyprzedzeniem godzin, a nawet dni, w oparciu o ich charakterystykę działania i lokalizację. Korekty w czasie rzeczywistym stają się konieczne w celu skorygowania nieprzewidzianych zmian, takich jak błędy prognozy obciążenia lub nieprzewidziane zdarzenia systemowe. Rezerwowe zasoby wytwórcze mogą rozwiązać poważne sytuacje awaryjne, takie jak nagła awaria mechaniczna w zakładzie wytwórczym lub utrata linii przesyłowej. Wzrost zasobów wiatrowych i słonecznych, których wydajność zmienia się w zależności od warunków pogodowych, wprowadza trudną zmienną po stronie podaży do równoważenia sieci.
elektrownie są jak sprinterzy
zdolności elektrowni można porównać do zdolności elitarnych sportowców:
- szybkość biegu sprintera jest zbliżona do „wysyłki” zakładu lub poziomu wydajności.
- jak szybko przyspiesza sprinter jest zbliżony do „rampy” lub szybkości zmiany mocy.
- prędkość maksymalna sprintera jest zbliżona do wydajności zakładu lub maksymalnej wydajności.
- czas reakcji sportowca jest podobny do czasu, którego roślina potrzebuje, aby rozpocząć produkcję energii.
- krótko – i długoterminowa wydajność zarówno sportowców, jak i elektrowni zależy od kondycji (np. konserwacji sprzętu).
- wydajność zarówno sportowców, jak i elektrowni może być wrażliwa na warunki pogodowe (np. wysokie ciepło obniża wydajność wielu roślin).
planowanie systemu
utrzymanie niezawodnego systemu wymaga długoterminowego planowania, aby zapewnić odpowiednie zaspokojenie przyszłego zapotrzebowania. Budowa dużych obiektów wytwórczych i przesyłowych zajmuje co najmniej trzy lata. Planowanie wymaga określenia odpowiedniej wielkości instalacji wytwórczych, przesyłowych i dystrybucyjnych, aby zaspokoić maksymalną ilość energii, jakiej odbiorca będzie potrzebował w danym momencie. W szczególności wymaga to wystarczającej mocy wytwórczej lub maksymalnej mocy wyjściowej, aby sprostać szczytowemu obciążeniu, plus rezerwy w przypadku awaryjności systemu.
planiści wykorzystują długoterminowe prognozowanie obciążenia, aby oszacować szczytowy popyt. Programy zarządzania popytem, takie jak promowanie pogody i wysokowydajnego oświetlenia, mogą zmniejszyć potrzebę inwestowania w wytwarzanie i transmisję. Planowanie systemu przesyłowego i dystrybucyjnego musi również zapewniać wystarczającą zdolność przesyłową, aby uwzględnić przepływy energii elektrycznej w okresach szczytowych we wszystkich lokalizacjach.
planowanie systemu elektrycznego musi uwzględniać zarówno oczekiwane, jak i nieoczekiwane. Zmiany w technologii, polityce i popycie są trudne do przewidzenia. Planiści muszą uwzględniać ryzyko i niepewność, takie jak zmiany ekonomiczne, które wpływają na wzrost obciążenia, zmiany w wymogach regulacyjnych oraz rozwój przełomowych technologii, które wpływają na obciążenie lub generowanie własnego klienta. Na przykład polityka promująca wytwarzanie energii wiatrowej i słonecznej może spowodować potrzebę dodatkowych elastycznych usług wytwarzania energii, takich jak szybkie uruchamianie i szybkie uruchamianie. Przyszłe niewiadome, w połączeniu z długoterminowym charakterem infrastruktury elektroenergetycznej, wzmacniają znaczenie zarządzania ryzykiem i niepewnością w planowaniu energii elektrycznej.
ilustracja typowego dziennego zapotrzebowania na energię elektryczną