Размышления о кпд и о совершенстве цод. Солнечные, ветровые, геотермальные электростанции. Расчет КПД электрической цепи

Как известно, на данный момент еще не созданы такие механизмы, которые бы до конца превращали один вид энергии в другой. В процессе работы любой рукотворный прибор расходует часть энергии на сопротивление сил либо же впустую ее рассеивает в окружающую среду. То же самое происходит и в замкнутой электроцепи. Когда заряды протекают по проводникам, осуществляется сопротивление полной и полезной нагрузки работы электричества. Чтобы сопоставить их соотношения, потребуется произвести коэффициент полезного действия (КПД).

Для чего нужен расчет КПД

Коэффициент полезного действия электрической цепи – это отношение полезного тепла к полному.

Для ясности приведем пример. При нахождении КПД двигателя можно определить, оправдывает ли его основная функция работы затраты потребляемого электричества. То есть его расчет даст ясную картину, насколько хорошо устройство преобразовывает получаемую энергию.

Обратите внимание! Как правило, коэффициент полезного действия не имеет величины, а представляет собой процентное соотношение либо числовой эквивалент от 0 до 1.

КПД находят по общей формуле вычисления, для всех устройств в целом. Но чтобы получить его результат в электрической цепи, вначале потребуется найти силу электричества.

Нахождения тока в полной цепи

По физике известно, что любой генератор тока имеет свое сопротивление, которое еще принято называть внутренняя мощность. Помимо этого значения, источник электричества также имеет свою силу.

Дадим значения каждому элементу цепи:

сопротивление – r;
сила тока – Е;

Итак, чтобы найти силу тока, обозначение которого будет – I, и напряжение на резисторе – U, потребуется время – t, с прохождением заряда q = lt.

В связи с тем, что сила электричества постоянна, работа генератора целиком преобразуется в тепло, выделяемое на R и r. Такое количество можно рассчитать по закону Джоуля-Ленца:

Q = I2 + I2 rt = I2 (R + r) t.

Затем приравниваются правые части формулы:

EIt = I2 (R + r) t.

Осуществив сокращение, получается расчет:

Произведя у формулы перестановку, в итоге получается:

Данное итоговое значение будет являться электрической силой в данном устройстве.

Произведя таким образом предварительный расчет, теперь можно определить КПД.

Расчет КПД электрической цепи

Мощность, получаемая от источника тока, называется потребляемой, определение ее записывается – P1. Если эта физическая величина переходит от генератора в полную цепь, она считается полезной и записывается – Р2.

Чтобы определить КПД цепи, необходимо вспомнить закон сохранения энергии. В соответствии с ним, мощность приемника Р2 будет всегда меньше потребляемой мощности Р1. Это объясняется тем, что в процессе работы в приемнике всегда происходит неизбежная пустая трата преобразуемой энергии, которая расходуется на нагревание проводов, их оболочки, вихревых токов и т.д.

Чтобы найти оценку свойств превращения энергии, необходим КПД, который будет равен отношению мощностей Р2 и Р1.

Итак, зная все значения показателей, составляющих электроцепи, находим ее полезную и полную работу:

А полезная. = qU = IUt =I2Rt;
А полная = qE = IEt = I2(R+r)t.

В соответствии этих значений, найдем мощности источника тока:

Р2 = А полезная /t = IU = I2 R;
P1 = А полная /t = IE = I2 (R + r).

Произведя все действия, получаем формулу КПД:

n = А полезная / А полная = Р2 / P1 =U / E = R / (R +r).

У этой формулы получается, что R выше бесконечности, а n выше 1, но при всем этом ток в цепи остается в низком положении, и его полезная мощность мала.

Каждый желает найти КПД повышенного значения. Для этого необходимо найти условия, при которых P2 будет максимален. Оптимальные значения будут:

P2 = I2 R = (E / R + r)2 R;
dP2 / dR = (E2 (R + r)2 — 2 (r + R) E2 R) / (R + r)4 = 0;
E2 ((R + r) -2R) = 0.

В данном выражении Е и (R + r) не равны 0, следовательно, ему равно выражение в скобках, то есть (r = R). Тогда получается, что мощность имеет максимальное значение, а коэффициент полезного действия = 50 %.

КПД сети в режиме максимальных нагрузок:

где DР с - суммарные потери активной мощности во всех элементах сети в режиме максимальных нагрузок

КПД сети средневзвешенный за год:

где Э – величина электроэнергии, полученная потребителями за год.

Оба КПД сети превышают 97%(потери электроэнергии не превышают 3%), что является допустимым, с точки зрения экономичности сети.

Расчёт себестоимости передачи и распределения электроэнергии.

Себестоимость передачи и распределения электроэнергии по сети:

Таким образом, себестоимость передачи и распределения составляет 9,2 коп/кВт·ч при цене за электроэнергию 1 руб/кВт·ч (то есть 3% от тарифа), что является допустимым, с точки зрения экономичности сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе разработки данного курсового проекта, был разработан оптимальный вариант электрической сети.

Из нескольких вариантов было выбрано два, отличающихся друг от друга, варианта сети, а именно, радиальная схема сети и схема сети с кольцевым участком. Проведенный технико-экономический расчет показал, что наиболее выгодным с точки зрения экономичности эксплуатации является радиальная схема сети.

Напряжение проектируемой сети составляет 110-220 кВ. Питание осуществляется от подстанции ПС А. Район нагрузок состоит из трех подстанций, от которых питаются потребители первой, второй и третьей категории.

Надежность электроснабжения обеспечивается путем прокладывания двухцепных линий и установкой двух трансформаторов на каждой подстанции. Для линии 220 кВ выбраны стальные двухцепные опоры и двухцепные (на линии 110 кВ) железобетонные опоры. Сечения проводов линий были выбраны с учетом экономической плотности тока и проверены по допустимому току перегрузки.

Качество электрической энергии, требуемое ГОСТом 13109-97, обеспечивается с помощью устройств РПН у всех трансформаторов и применения линейных регулировочных трансформаторов ЛТДН-40000 на шинах низшего напряжения ПС 2. Для сети выбраны следующие трансформаторы: АТДЦТН 125000/220/110 – для узловой подстанции,

ТРДН-25000/110– для ПС1, ТДН-10000/110 - для ПС3.

Установившиеся режимы были рассчитаны с помощью программы «Энергия». При анализе полученных результатов получили, что проектируемая сеть удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям.

Для проверки правильности расчёта был составлен баланс активной и реактивной мощности для максимального и минимального режима.

По результатам механического расчёта проводов ЛЭП 110 кВ, соединяющей ПС2 и ПС3 были выбраны опоры ПБ 110-8 высотой 24,5 метров с пролётом 200 метров и высотой до нижней траверсы равной 14,7 метров с полимерными изоляторами.

В результате технико-экономического расчета получены следующие показатели сети:

1. Суммарные капиталовложения сети К СЕТИ = 3317600 тыс.руб.

2. Суммарные издержки на эксплуатацию сети И å =48236,406 тыс.руб./год.

3. Потери мощности и энергии в сети DР å =2,86 МВт, DЭ=10574,426 МВт час.

4. Себестоимость передачи энергии b = 9,2 коп/кВт час.

5. Коэффициент полезного действия сети =98%.

На основании того, что выбранный вариант электрической сети удовлетворяет предъявленным к нему требованиям, считаем его оптимальным.

Список литературы

1. Справочник по проектированию электрических сетей. Под редакцией Д.Л. Файбисовича. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005 – 320 с. ил.

2. Правила устройства электроустановок. – 7-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 2003. – 648 с.

3. Выбор силовых трансформаторов подстанций энергосистем и промышленных предприятий с учетом допустимых нагрузок. Методические указания. Б.Я. Прахин. – Иваново; ИЭИ, 1999г.

4. Учебное пособие к выполнению курсовой работы «проектирование электрической сети». А.Е.Аржанникова, Т.Ю. Мингалева. – Иваново; 2014г.

5. Методические указания по расчету установившихся режимов в курсовом проектировании электрических сетей. Бушуева О.А., Парфенычева Н.Н. - Иваново: ИГЭУ, 2004.

Максимальный КПД сети.

Средневзвешенный КПД сети:

Определение себестоимости передачи и распределения 1 кВт×ч электроэнергии:

Заключение

В результате выполнения курсовой работы в соответствии с заданием был разработан оптимальный вариант электрической сети района нагрузок. Для сравнения из нескольких вариантов конфигурации сети на основании наименьшей стоимости, наибольшей надежности и удобства эксплуатации были выбраны два. В ходе дальнейшей разработки вариантов и расчета их экономической эффективности методом дисконтированных затрат был выбран вариант кольцевой схемы сети.

Проектируемая сеть относится к числу районных сетей напряжением 220 – 110 кВ. Сеть питает три ПС, в составе потребителей, которых имеются потребители I, II, III категорий по надежности электроснабжения.

Питание потребителей осуществляется через два трансформатора на каждой подстанции. Трансформаторы выбраны с учетом перегрузочной способности:

На ПС-1 – ТРДН - 25000/110/10;

На ПС-2 – АТДЦТН - 125000/220/110/10;

На ПС-3 – ТДН - 16000/110/10.

Линии электропередач напряжением 110 кВ выполнены на железобетонных опорах, линии напряжением 220 кВ – на стальных опорах, в обоих случаях использованы сталеалюминевые провода. Сечение проводов выбрано по экономическому сечению, с проверкой по допустимому току перегрузки в аварийном режиме. В зависимости от типа подстанции и количества присоединений на стороне высшего напряжения были выбраны схемы электрических соединений РУ подстанций:

На стороне 220 кВ ПС-2 – схема четырехугольник;

На стороне 110 кВ ПС-2 – одна рабочая секционированная по числу тр-ров система шин с подключением трансформаторов через развилку из двух выключателей;

На стороне 110 кВ ПС-1, ПС-3 – мостик с выключателем в цепях трансформаторов и ремонтной перемычкой со стороны трансформаторов;

На стороне 10 кВ - ПС-2, ПС-3– одна одиночная секционированная выключателем система шин;

На стороне 10 кВ - ПС-1 – две одиночные секционированные выключателем системы шин;

Качество электроэнергии в нормальных и послеаварийных режимах обеспечивается регулированием под нагрузкой у всех трансформаторов. Для регулирования напряжения на шинах 10 кВ ПС-2 были использованы регулировочные трансформаторы типа ЛТДН-40000/10.

Установившиеся режимы были изучены и проанализированы с помощью программы «Энергия».

Технико-экономические расчеты дали следующие показатели сети:

1. Суммарные капиталовложения сети:

2. Издержки на эксплуатацию оборудования:

3. Потери мощности и энергии в сети:

4. Себестоимость передачи энергии:

5. Максимальный коэффициент полезного действия сети:

6. Средневзвешенный коэффициент полезного действия:

Список литературы:

1. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д.Л. Файбисовича.-4-е изд.,перераб. и доп. – М.: ЭНАС, 2012.-376 с.:ил.

2. Правила устройства электроустановок./Колл.авт.-М.:Издательство «Альвис», 2012.-816 с.

3. МУ №128 – Выбор силовых трансформаторов подстанций энергосистем и промышленных предприятий с учётом допустимых нагрузок/Д.А. Полкошников, М.И. Соколов. – Иваново: ИГЭУ, 2009.-24 с.

4. Бушуева О.А., Кулешов А.И. Электрическая сеть района нагрузок – учебное пособие к курсовому проекту/ ИГЭУ. – Иваново,2006. – 72 с.

Сначала окунемся в теорию, почитаем техническую литературу, где и узнаем, как измеряют КПД. КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы к затраченной энергии. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. В формулах КПД обозначается буквой «Этта»: = A/Q, где А – затраченная работа, а Q полезная теплота. В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше или равно единице, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии, не бывает котлов со 100% КПД, который не греет ничего кроме воды. Даже электрический котел, где отсутствует дымоход, а нагревательный элемент находится непосредственно в нагреваемом теплоносителе, не может выдать 100-процентный результат, так как часть энергии тратится на побочные цели – нагрев металлических деталей котла, нагрев провода от котла к розетке и т.п.

Понятие КПД напрямую связано с понятиями энергии и мощности. Применительно к отопительным приборам энергосодержание, или теплосодержание (кВт*ч), является понятием, связанным с количеством топлива (дров, газа, электроэнергии), а мощность (кВт) является понятием, связанным с размерами пламени (размерами нагревательного элемента) и скоростью горения топлива.

Коэффициент полезного действия котла, печи или камина определяется отношением количества освободившейся энергии к количеству использованной на практике освободившейся энергии. Например КПД твердотопливного котла характеризует, какую часть (в %) из всего энергосодержания древесины можно направить при ее сжигании на нагрев воды в системе отопления по отношению к той энергии, которая пошла на другие цели, например на нагрев дымохода, воздуха в нем, какая-то часть древесины остается недогоревшей в виде углей, летучей золы, негорючих газов.

С величиной КПД также связано понятие потери. Например, если потери дымовых газов (т.е. количество энергии, теряемой вместе с дымовыми газами) составляют 20%, то КПД отопительного прибора может составлять не более 80%. Полный КПД складывается из двух величин: КПД горения и потери дымовых газов.

Например, если КПД горения равен 90% и потери дымовых газов составляют 20%, то полный КПД этого очага будет равен

0,9 * (1 – 0,2) = 72%.

Коэффициент полезного действия присущ не только отопительному прибору. Есть КПД и у системы отопления в целом и зачастую именно этот показатель «страдает», сводя на нет всю работу по энергосбережению. КПД системы отопления в целом, показывает, сколько энергии горячей воды тратится на отопление воздуха в том помещении, которое вы отапливаете, по отношению к энергии, которая отапливает трубы, стены, воздух, который не нужно отапливать, и т.д. КПД системы отопления можно увеличить, например, теплоизолировав трубы, проходящие по неотапливаемым помещениям, сократив расстояние от котла до конечной точки потребления энергии, модернизировав систему отопления.

Расход энергии на обогрев «лишних» площадей называется потерями на теплопередачу. Например, если отопительный прибор (обладающий КПД 72%) подсоединен к системе отопления, в которой потери на теплопередачу составляют 8%, то КПД всей отопительной системы составит

0,72 * (1 – 0,08) = 66%.

При использовании полного КПД отопительной системы можно рассчитать фактически необходимое количество топлива для отопления всего здания. Например, для отопления жилого дома площадью 380 м2 месячная потребность в энергии составляет примерно 13500 кВт*ч, полный КПД отопительной системы принимаем за 66%, из чего и вычисляем фактическую потребность в топливе:

13500 / 0,66 = 20500 кВт*ч.

Если энергосодержание 1 кг древесины равно примерно 4 кВт*ч, то месячный запас дров должен составить

20500 / 4 = 5125 кг,

т.е. 8-10 м3 дров.

Другиме составляющие эффективной системы отопления

Если перед вами стоит задача быстрого нагрева воздуха в комнатах дома, то говорить надо об эффективности системы отопления. А это уже речь не об отопительном приборе, а о приборе, который энергию теплоносителя расходует на нагрев воздуха, – радиаторы, системы теплых полов и т.п. Чем быстрее радиатор произведет теплообмен между водой и воздухом, тем эффективнее вся система в целом.

Наличие эффективной системы отопления помимо «радостей» влечет также и «хлопоты». Ведь необходимо следить за тем, чтобы радиатор, преобразующий тепло воды в теплый воздух, сам не остыл и чтобы вода на выходе из радиатора была не слишком холодной, иначе котел будет работать на износ, а это недопустимо. В этих «хлопотах» огромную помощь оказывает циркуляционный насос, поддерживающий такую скорость циркуляции воды, которая позволит и радиаторы держать в нужном температурном режиме, и воду возвращать в котел непереохлажденной.

Здесь сразу отсеивается целый ряд систем отопления, основанных на естественной циркуляции теплоносителя. Эти системы – неэффективны. Неэффективны в первую очередь по причине своей инертности: здесь скорость циркуляции напрямую зависит от температуры воды. Сначала мы ждем пока произойдет нагрев воды в котле, по мере нагревания она потихоньку начинает пе-ремещаться вверх по стояку, а оттуда – по радиаторам. Но достигнув их, процесс снова затормаживается: горячая вода в радиаторе находится наверху, она не попадет вниз, пока не остынет. Какая же тут эффективность?

Итак, разобрались – включив циркуляционный насос, мы устранили все естественные пробки, связанные с разницей температур. В нашей системе циркулирует теперь любая вода – холодная, горячая, очень холодная и очень горячая, вне зависимости от того, успела она остыть или нагреться – вода уходит в систему и возвращается обратно в котел с одной и той же скоростью.