Электроэнергетика - Electric power industry

Электроэнергия передается по воздушные линии как эти, а также в метро высоковольтные кабели

В электроэнергетика охватывает поколение, коробка передач, распределение и продажа из электроэнергия для широкой публики и промышленности. Коммерческое распределение электроэнергии началось в 1882 году, когда электричество производилось для электрическое освещение. В 1880-х и 1890-х годах растущие проблемы экономики и безопасности привели к регулированию отрасли. То, что когда-то было дорогостоящей новинкой, ограниченной наиболее густонаселенными районами, надежная и экономичная электроэнергия стала важным аспектом для нормальной работы всех элементов развитой экономики.

К середине 20 века электричество рассматривалось как "естественная монополия ", эффективен только в том случае, если на рынке участвует ограниченное количество организаций; в некоторых областях вертикально-интегрированные компании обеспечивают все этапы от генерации до розничной торговли, и только государственный надзор регулирует норму прибыли и структуру затрат.

С 1990-х годов многие регионы разделили производство и распределение электроэнергии, чтобы обеспечить более конкурентоспособную рынок электроэнергии. Хотя такие рынки могут быть неправомерными манипулируют с последующим неблагоприятным воздействием на цену и надежность для потребителей, как правило, конкурентоспособное производство электроэнергии приводит к значительному повышению эффективности. Однако передача и распространение представляют собой более серьезные проблемы, поскольку возврат инвестиций найти не так просто.

История

Подстанция Болсвард, Нидерланды
Линии передачи в Румыния из которых ближайшая - башня с фазовым транспонированием

Хотя известно, что электричество вырабатывается в результате химических реакций, протекающих в электролитическая ячейка поскольку Алессандро Вольта разработал гальваническая свая в 1800 году его производство таким способом было и остается дорогим. В 1831 г. Майкл Фарадей разработали машину, вырабатывающую электричество за счет вращательного движения, но потребовалось почти 50 лет, чтобы технология достигла коммерчески жизнеспособной стадии. В 1878 г. Соединенные Штаты, Томас Эдисон разработал и продал коммерчески жизнеспособную замену газового освещения и отопления с использованием местных и распределенных постоянный ток электричество.

Роберт Хэммонд в декабре 1881 г. продемонстрировал новый электрический свет в Сассекс город Брайтон в Великобритании на испытательный срок. Последовавший за этим успех этой установки позволил Хаммонду поставить это предприятие как на коммерческую, так и на юридическую основу, поскольку ряд владельцев магазинов хотели использовать новое электрическое освещение. Так была основана компания Hammond Electricity Supply Co.

В начале 1882 года Эдисон открыл первую в мире паровую электростанцию ​​в г. Холборн Виадук в Лондон, где он заключил соглашение с City Corporation сроком на три месяца на обеспечение уличного освещения. Со временем он снабдил электричеством ряд местных потребителей. Источник питания - постоянный ток (DC). В то время как Годалминг и 1882 год Схема виадука Холборна закрылась через несколько лет, Брайтонская схема продолжила свое существование, и в 1887 г. поставка была сделана доступной 24 часа в сутки.

Позднее, в сентябре 1882 года, Эдисон открыл Электростанция на Жемчужной улице в Нью-Йорк и снова это был источник постоянного тока. Именно по этой причине генерация находилась рядом или на территории потребителя, поскольку у Эдисона не было средств преобразования напряжения. Напряжение, выбранное для любой электрической системы, - это компромисс. Для заданного количества передаваемой мощности увеличение Напряжение уменьшает Текущий и, следовательно, уменьшает требуемую толщину проволоки. К сожалению, это также увеличивает опасность от прямого контакта и увеличивает необходимый изоляция толщина. Кроме того, некоторые типы нагрузок было трудно или невозможно заставить работать с более высокими напряжениями. В итоге система Эдисона требовала, чтобы электростанции находились в пределах мили от потребителей. Хотя это могло бы сработать в центрах городов, оно не могло бы экономично снабжать электричеством пригороды.[1]

С середины до конца 1880-х годов были введены переменный ток (AC) системы в Европе и США. трансформаторы, установлен в энергостанции, может использоваться для повышения напряжения от генераторов и трансформаторов на местных подстанции может снизить напряжение питания нагрузки. Повышение напряжения уменьшало ток в линиях передачи и распределения и, следовательно, уменьшало размер проводников и потери при распределении. Это сделало более экономичным распределять мощность на большие расстояния. Генераторы (например, гидроэлектростанция сайты) могли быть расположены далеко от грузов. AC и DC соревновались какое-то время, в течение периода, называемого война течений. Система постоянного тока могла претендовать на немного большую безопасность, но этой разницы было недостаточно, чтобы подавить огромные технические и экономические преимущества переменного тока, которые в конечном итоге победили.[1]

Линия высокого напряжения в Монреаль, Квебек, Канада

Система питания переменного тока, используемая сегодня, быстро развивалась при поддержке таких промышленников, как Джордж Вестингауз с Михаил Доливо-Добровольский, Галилео Феррарис, Себастьян Зиани де Ферранти, Люсьен Голар, Джон Диксон Гиббс, Карл Вильгельм Сименс, Уильям Стэнли младший, Никола Тесла, и другие внесли свой вклад в эту область.

Силовая электроника это применение твердотельная электроника контролю и преобразованию электроэнергии. Силовая электроника началась с разработки ртутный дуговый выпрямитель в 1902 году использовался для преобразования переменного тока в постоянный. С 1920-х годов продолжались исследования по применению тиратроны и управляемые сетью ртутные дуговые клапаны для передачи электроэнергии. Электроды для калибровки сделали их пригодными для постоянный ток высокого напряжения (HVDC) передача электроэнергии. В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители.[2] Транзистор технология восходит к 1947 году, с изобретением точечный транзистор, за которым последовал биполярный переходной транзистор (BJT) в 1948 году. К 1950-м годам более мощные полупроводники диоды стали доступны и началась замена вакуумные трубки. В 1956 г. кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), увеличивающий диапазон применения силовой электроники.[3]

Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) в 1959 году. Поколения полевых МОП-транзисторов позволили разработчикам мощности достичь уровней производительности и плотности, недоступных для биполярных транзисторов.[4] В 1969 г. Hitachi представила первую вертикаль силовой MOSFET,[5] который позже будет известен как VMOS (МОП-транзистор с V-образной канавкой).[6] Силовой MOSFET с тех пор стал самым распространенным силовое устройство в мире, благодаря низкой мощности привода затвора, высокой скорости переключения,[7] простая расширенная возможность параллельного подключения,[7][8] широкий пропускная способность, надежность, легкий привод, простое смещение, простота применения и простота ремонта.[8]

В то время как HVDC все чаще используется для передачи большого количества электроэнергии на большие расстояния или для подключения соседних асинхронный В энергосистемах большая часть производства, передачи, распределения и розничной продажи электроэнергии осуществляется с использованием переменного тока.

Организация

Электроэнергетика обычно делится на четыре процесса. Это производство электроэнергии например, электростанция, передача электроэнергии, распределение электроэнергии и розничная торговля электроэнергией. Во многих странах электроэнергетические компании владеют всей инфраструктурой от генерирующих станций до инфраструктуры передачи и распределения. По этой причине электроэнергия рассматривается как естественная монополия. Промышленность, как правило, регулируемый, часто с контроль цен и часто государственная собственность и управление. Однако современная тенденция заключается в усилении дерегулирования, по крайней мере, в двух последних процессах.[9]

Характер и состояние рыночной реформы рынок электроэнергии часто определяет, могут ли электрические компании участвовать только в некоторых из этих процессов без необходимости владеть всей инфраструктурой, или граждане выбирают, какие компоненты инфраструктуры им покровительствовать. В странах, где предоставление электроэнергии не регулируется, конечные пользователи электроэнергии могут выбрать более дорогостоящую зеленое электричество.

Поколение

В Электростанция Атлон в Кейптаун, Южная Африка
Основные статьи: Производство электроэнергии и Развитие энергетики

Все формы производства электроэнергии имеют положительные и отрицательные стороны. Технологии вероятно, в конечном итоге объявит наиболее предпочтительные формы, но в рыночная экономика, варианты с меньшими общими затратами, как правило, будут выбираться выше других источников. Пока не ясно, какая форма может лучше всего удовлетворить необходимые потребности в энергии или какой процесс может лучше всего удовлетворить потребность в электроэнергии. Есть признаки того, что Возобновляемая энергия и распределенная генерация становятся более жизнеспособными с экономической точки зрения. Разнообразное сочетание источников генерации снижает риски скачков цен на электроэнергию.

Передача электроэнергии

Основная статья: Передача электроэнергии
500 кВ Трехфазная электрическая мощность Линии передачи на Плотина Гранд-Кули; показаны четыре схемы; две дополнительные цепи закрыты деревьями справа; вся генерирующая мощность плотины в 7079 МВт обеспечивается этими шестью цепями.

Передача электроэнергии - это основная часть движения электроэнергия с генерирующего сайта, такого как электростанция, для электрическая подстанция. Взаимосвязанные линии, которые способствуют этому движению, известны как сеть передачи. Это отличается от местной проводки между высоковольтными подстанциями и потребителями, которую обычно называют распределение электроэнергии. Комбинированная сеть передачи и распределения известна как "Энергосистема " в Северная Америка, или просто «сетка». в объединенное Королевство, Индия, Малайзия и Новая Зеландия, сеть известна как Национальная сеть.

А синхронная сетка большой площади, также известное как «межсоединение» в Северной Америке, напрямую соединяет многие генераторы, вырабатывающие переменный ток, с одним и тем же родственником. частота многочисленные потребители. Например, в Северной Америке есть четыре основных межсетевых соединения ( Западное соединение, то Восточное соединение, то Квебекское соединение и Совет по надежности электроснабжения Техаса (ERCOT) сетка). В Европе одна большая сеть соединяет большую часть континентальной Европы.

Исторически линии передачи и распределения принадлежали одной и той же компании, но, начиная с 1990-х годов, многие страны либерализованный регулирование рынок электроэнергии способами, которые привели к отделению бизнеса по передаче электроэнергии от бизнеса по распределению.[10]

Распределение электроэнергии

Основная статья: Распределение электроэнергии
Распределительный трансформатор 50 кВА на опоре

Распределение электроэнергии - завершающий этап в Доставка из электроэнергия; он несет электричество из система передачи индивидуальным потребителям. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего. Напряжение в диапазоне от 2кВ и 35 кВ с использованием трансформаторы.[11] Начальный распределительные линии передают эту мощность среднего напряжения в распределительные трансформаторы находится рядом с помещением заказчика. Распределительные трансформаторы снова понижают напряжение до напряжение использования используется в освещении, промышленном оборудовании или бытовой технике. Часто от одного трансформатора через вторичный линии раздачи. Коммерческие и бытовые потребители подключены к вторичным распределительным линиям через прекращение обслуживания. Клиенты, которым требуется гораздо большее количество энергии, могут быть подключены непосредственно к первичному уровню распределения или субпередача уровень.[12]

Розничная торговля электроэнергией

Основная статья: розничная торговля электроэнергией

Розничная продажа электроэнергии - это последняя продажа электричество из поколение конечному потребителю.

Мировая электроэнергетика

Смотрите также: Список секторов электроэнергетики

Организация электрического сектора страны или региона варьируется в зависимости от экономической системы страны. В некоторых местах производство, передача и распределение электроэнергии осуществляется контролируемой государством организацией. В других регионах есть частные или принадлежащие инвесторам коммунальные предприятия, городские или муниципальные компании, кооператив компании, принадлежащие их собственным клиентам, или комбинации. Генерация, передача и распределение могут предлагаться одной компанией, или разные организации могут предоставлять каждую из этих частей системы.

Не у всех есть доступ к электросети. Около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа в 2017 году по сравнению с 1,2 миллиардами в 2010 году.[13]

Дальнейшая информация: Электрификация

Рыночная реформа

В Бизнес модель за последние годы электроэнергетика изменилась, что сыграло жизненно важную роль в превращении электроэнергетической отрасли в то, чем она является сегодня; от генерации, передачи, распределения до конечной местной розничной торговли. Это произошло в значительной степени после реформы отрасли электроснабжения в Англии и Уэльсе в 1990 году. В некоторых странах действуют оптовые рынки электроэнергии, причем генераторы и розничные торговцы торговать электроэнергией аналогично акции и валюта. В качестве дерегулирование продолжается дальше, коммунальные предприятия вынуждены продавать свои ресурсы поскольку рынок энергии следует за рынком газа в использовании фьючерсы и спотовые рынки и другие финансовые договоренности. Четное глобализация с зарубежными закупками. Одна такая покупка произошла, когда Великобритании Национальная сеть, крупнейшая частная электроэнергетическая компания в мире, купила Новая Англия Электроэнергетической системы за 3,2 миллиарда долларов.[14] В период с 1995 по 1997 год семь из 12 региональных электроэнергетических компаний (РЭК) в Англии и Уэльсе были куплены энергетическими компаниями США.[15] На внутреннем рынке местные электроэнергетические и газовые компании объединили свои операции, поскольку они увидели преимущества совместной принадлежности, особенно с учетом снижения стоимости совместного учета. Технологический прогресс будет происходить на конкурентных оптовых рынках электроэнергии, такие примеры, которые уже используются, включают топливные элементы, используемые в космический полет; авиационный газовые турбины используется в реактивный самолет; солнечная инженерия и фотоэлектрический системы; оффшорные ветряные электростанции; и достижения в области коммуникации, порожденные цифровым миром, особенно с микропроцессорами, которые помогают в мониторинге и диспетчеризации.[16]

Ожидается рост электроэнергии требовать в будущем. В Информационная революция сильно зависит от электроэнергии. Другие области роста включают появление новых технологий, не связанных с электричеством, разработки в области кондиционирования помещений, промышленные процессы, и транспорт (Например гибридные автомобили, локомотивы ).[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Шок и трепет: история электричества - 2. Эпоха изобретений
  2. ^ Томпсон, М. «Примечания 01» (PDF). Введение в силовую электронику. Thompson Consulting, Inc.
  3. ^ Харагпур. «Силовые полупроводниковые приборы» (PDF). EE IIT. В архиве (PDF) из оригинала 20 сентября 2008 г.. Получено 25 марта 2012.
  4. ^ "Переосмыслить плотность мощности с помощью GaN". Электронный дизайн. 21 апреля 2017 г.. Получено 23 июля 2019.
  5. ^ Окснер, Э. С. (1988). Технология и применение Fet. CRC Press. п. 18. ISBN  9780824780500.
  6. ^ "Достижения в области дискретных полупроводников идут вперед". Технология силовой электроники. Информация: 52–6. Сентябрь 2005 г. В архиве (PDF) из оригинала 22 марта 2006 г.. Получено 31 июля 2019.
  7. ^ а б "Основы силового MOSFET" (PDF). Alpha & Omega Semiconductor. Получено 29 июля 2019.
  8. ^ а б Дункан, Бен (1996). Усилители мощности аудио высокого качества. Эльзевир. стр.178–81. ISBN  9780080508047.
  9. ^ «Неровная дорога к дерегулированию энергетики». EnPowered. 2016-03-28.
  10. ^ «Пособие по электроэнергетике, дерегулированию и реструктуризации рынков электроэнергии США» (PDF). Министерство энергетики США Федеральная программа энергоменеджмента (ФЭМП). Май 2002 г.. Получено 30 октября, 2018. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  11. ^ Шорт, Т. (2014). Справочник по распределению электроэнергии. Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press. С. 1–33. ISBN  978-1-4665-9865-2.
  12. ^ «Как работают электросети». Как это работает. Получено 2016-03-18.
  13. ^ Устранение разрыва в доступе к электроэнергии в странах Африки к югу от Сахары: почему города должны быть частью решения
  14. ^ Документ SEC от 15 марта 2000 г.
  15. ^ «Электроэнергетические компании Соединенного Королевства - краткая хронология», Электроэнергетическая ассоциация, 30 июня 2003 г.
  16. ^ а б Борберли, А. и Крейдер, Дж. Ф. (2001). Распределенное поколение: парадигма власти для нового тысячелетия. CRC Press, Бока-Ратон, Флорида. 400 стр.

дальнейшее чтение