Кпд электростанций: Что такое КПД? Электростанции

Способы повышения КПД и удельной мощности инверторов для солнечных электростанций

28 декабря 2021

телекоммуникацииуниверсальное применениеInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFET

Мустафа Хазреи, Дамиан Зупанчич (Infineon)

Какую элементную базу выбрать для проектирования инверторов для солнечных батарей – новую карбид-кремниевую или традиционную кремниевую? Специалисты Infineon приходят к неожиданному выводу: традиционная кремниевая может помочь достичь КПД 99%. Но для этого следует применить сравнительно новую схему многоуровневого преобразования, которая может оказаться непростой для начинающего разработчика.

В связи с глобальными климатическими изменениями, происходящими на нашей планете, потребность в экологически чистых источниках энергии, к числу которых относятся солнечные электростанции, за последнее десятилетие возросла во много раз. Одним из ключевых параметров электростанций этого типа является величина потерь, возникающая при преобразовании постоянного тока, выработанного фотоэлементами, в переменное напряжение с частотой 50/60 Гц. Кроме того, для домашних систем также важны габариты и стоимость всех элементов, в том числе и инвертора, выполняющего упомянутое преобразование.

Традиционной элементной базой для реализации силовой части инверторов являются кремниевые IGBT. Эти приборы позволяют создавать как однофазные, так и трехфазные системы практически любой мощности. В маломощных однофазных инверторах вместо IGBT могут использоваться кремниевые MOSFET с суперпереходом (SJ MOSFET) с максимально допустимым напряжением 600/650 В, однако такая замена не дает ощутимого улучшения ни КПД, ни удельной мощности.

Еще не так давно считалось, что характеристики инверторов для солнечных электростанций достигли своего технического максимума, и дальнейшее их повышение, из-за недостатков и ограничений существующей элементной базы, маловероятно. Однако в последнее время в конструировании этого типа устройств появилось два новых направления, причем оба положительно сказываются на всех ключевых характеристиках этих преобразователей, в первую очередь – на величине КПД и удельной мощности. Первый способ заключается в замене традиционных кремниевых транзисторов их аналогами, изготовленными из полупроводников с большей, чем у кремния, шириной запрещенной зоны, например, из карбида кремния. Второй способ направлен на поиск новых схемотехнических решений силовой части, позволяющих создавать преобразователи на основе традиционных низковольтных кремниевых MOSFET, имеющих намного лучшие характеристики, чем их высоковольтные аналоги.

Использование новых решений позволило создавать инверторы, КПД которых может превышать 99%, что при использовании традиционных принципов построения является недостижимым результатом. В статье рассмотрены ключевые особенности обоих подходов, а также вопросы, на которые нужно обращать внимание при выборе того или иного метода.

Особенности замены элементной базы

Ключевым недостатком кремниевых IGBT является высокий уровень динамических потерь, из-за чего в схемах с жесткой коммутацией частота их переключения редко превышает 20 кГц. По сравнению с IGBT, MOSFET имеют лучшие динамические характеристики, однако из-за малой ширины запрещенной зоны кремния приходится увеличивать толщину канала при высоких рабочих напряжениях, что приводит к увеличению сопротивления канала и, как следствие, к увеличению статических потерь. Наличие подобных ограничений приводит к тому, что КПД инверторов для солнечных электростанций, особенно маломощных однофазных, редко достигает 98%.

При изготовлении высоковольтных MOSFET из карбида кремния, имеющего большую ширину запрещенной зоны, нет необходимости в специальном увеличении толщины канала для обеспечения требуемой электрической прочности, поэтому высоковольтные карбид-кремниевые транзисторы и диоды имеют лучшие параметры, чем их кремниевые аналоги при той же установочной мощности. Кроме того, паразитные антипараллельные диоды карбид-кремниевых MOSFET имеют меньшее время восстановления, что также положительно сказывается на величине КПД преобразователей, созданных на их основе.

Не так давно компания Infineon выпустила на рынок карбид-кремниевые MOSFET семейства CoolSiC, рассчитанные на использование в системах с напряжением до 650 В. Даже простая замена существующих кремниевых MOSFET и IGBT карбид-кремниевыми аналогами без какого-либо изменения схемотехники инвертора уже позволит увеличить его КПД за счет меньших потерь в силовых ключах. А если учесть, что карбид-кремниевые MOSFET могут работать на более высоких частотах, то подобная модернизация позволит использовать реактивные элементы с меньшей энергетической емкостью, и, соответственно, с меньшими размерами, что, в свою очередь, позволит создавать инверторы для солнечных электростанций с меньшими размерами и массой.

Эффективность от подобной замены хорошо видна на рисунке 1, где приведен сравнительный анализ величин заряда входной (Q_g) и выходной (Q_oss) емкости, а также заряда восстановления паразитного антипараллельного диода (Q_rr) для MOSFET, изготовленных из разных полупроводниковых материалов. Как видно из диаграмм, при приблизительно равных сопротивлении канала и условиях тестирования карбид-кремниевые транзисторы CoolSiC по всем параметрам значительно превосходят лучшие модели кремниевых MOSFET с суперпереходом, в частности – 600-вольтовые MOSFET семейства CoolMOS с диодами CFD7.

Рис. 1. Сравнительный анализ основных характеристик кремниевых MOSFET семейства CoolMOS и карбид-кремниевых MOSFET семейства CoolSiC

На рисунке 2 приведены результаты анализа величины статических потерь лучших в своих классах моделей транзисторов, в том числе кремниевого IGBT IKW30N65H5 (максимально допустимое напряжение – 650 В), кремниевого MOSFET с суперпереходом IPW60R031CFD7 (максимально допустимое напряжение – 600 В) и карбид-кремниевого MOSFET IMW65R027M1H (максимально допустимое напряжение – 650 В). Как видно из диаграмм, наибольший разогрев кристалла при протекании через него электрического тока наблюдается у IGBT. Эта разница особо заметна при температуре кристалла 25°С, когда сопротивления каналов MOSFET минимальны. Единственной положительной чертой IGBT в этом случае является температурная стабильность – потери проводимости этих транзисторов линейно зависят от величины тока, протекающего через прибор, и остаются приблизительно постоянными во всем температурном диапазоне.

Рис. 2. Сравнительный анализ статических потерь лучших моделей транзисторов, изготовленных по разным технологиям

Наименьшие статические потери при комнатной температуре имеют кремниевые MOSFET. Однако с ростом температуры уровень тепловыделения на их кристаллах увеличивается более чем в два раза, и при 125°С он может оказаться даже больше, чем у IGBT. А вот карбид-кремниевые MOSFET хоть и имеют при 25°С немного большее сопротивление канала, чем у их кремниевых аналогов, однако с ростом температуры его значение увеличивается не более чем на 20%, поэтому при высоких температурах уровень статических потерь транзисторов этого типа оказывается наименьшим из всех рассмотренных полупроводниковых приборов. Рисунок 2 дает четкое понимание отличий между разными технологиями изготовления транзисторов и показывает, что при коммутации больших токов и при высокой температуре кристаллов характеристики карбид-кремниевых транзисторов оказываются наилучшими.

Переход на новые схемотехнические решения

Силовая часть инверторов для солнечных электростанций традиционно строится на основе полумостовых каскадов, количество которых зависит от мощности инвертора и количества фаз его выходного напряжения. Одним из недостатков таких схем является возможность формирования на выходе только двух уровней напряжения, что вынуждает использовать в этих схемах IGBT и MOSFET с максимально допустимым напряжением не менее 600 B. Кроме необходимости использования высоковольтных транзисторов, характеристики которых хуже, чем у их низковольтных аналогов, коммутация высокого напряжения приводит к увеличению динамических потерь, что негативно сказывается и на КПД, и на удельной мощности преобразователей.

Однако в последнее время вместо полумостовых каскадов все чаще используются более сложные схемы, формирующие импульсное напряжение, способное принимать больше двух уровней (рисунок 3). Несмотря на повышенную сложность, такой подход позволяет снизить величину напряжения, коммутируемого силовыми транзисторами, что, в свою очередь, позволяет использовать в этих схемах полупроводниковые приборы с максимально допустимым напряжением 60…300 В и, что самое главное, снизить величину динамических потерь. Результаты испытаний многоуровневых схем показывают, что использование в них MOSFET класса среднего напряжения, например, семейства OptiMOS 5, имеющих превосходные метрики качества (R_ds(on)×Q_g, R_ds(on)×Q_rr и R_ds(on)×Q_oss), позволяет довести их КПД до 99%.

Рис. 3. Принцип перехода с классических полумостовых схем на многоуровневые

Уменьшение величины коммутируемого напряжения позволяет использовать в силовой части дроссели и конденсаторы с меньшей энергетической емкостью, а снижение статических и динамических потерь в силовых полупроводниковых приборах позволяет уменьшить площадь радиаторов системы охлаждения. Более того, количество силовых транзисторов в многоуровневых схемах больше, чем в схемах на основе полумостовых каскадов. Это приводит к тому, что тепло, общая величина которого меньше, чем в традиционных схемах, теперь выделяется на большем количестве кристаллов, то есть более равномерно распределяется по объему прибора. Все это в конечном итоге не только позволяет увеличить удельную мощность инверторов, но и значительно упростить систему охлаждения, вплоть до полного отказа от принудительного обдува радиаторов и использования для охлаждения силовой части естественных конвекционных потоков.

Стоимость полупроводниковых компонентов типового однофазного сетевого инвертора мощностью более 3 кВт составляет приблизительно 15% от его общей стоимости и намного превышает стоимость материалоемких радиаторов и индуктивных компонентов. Увеличение количества полупроводниковых приборов, характерное для многоуровневых инверторов, приводит к перераспределению этого баланса. Однако цены на полупроводниковые компоненты по мере развития технологий их производства постоянно снижаются, в то время как цены на первичные материалы (железо, медь, алюминий, ферриты) в лучшем случае остаются неизменными. Таким образом, для инверторов мощностью более 3 кВт, основная часть стоимости которых приходится на конструктивные элементы и на индуктивные накопители, переход на многоуровневый принцип преобразования позволяет уменьшить размеры конечного устройства и, соответственно, уменьшить его стоимость.

Еще одни преимуществом многоуровневых схем является возможность использования полупроводниковых приборов в корпусах, предназначенных для поверхностного монтажа, появившаяся благодаря меньшему выделению тепла на их кристаллах. Это позволяет снизить стоимость сборки устройства, поскольку SMD-компоненты можно монтировать на автоматизированных линиях. Кроме того, SMD-корпуса имеют меньшие значения паразитных индуктивностей выводов, что ощутимо снижает уровень нежелательных высокочастотных колебаний, возникающих в процессе коммутации.

Особенностью многоуровневых инверторов является простота масштабирования – конструкция силовой части и компоновка печатной платы мощного инвертора будет мало чем отличаться от его маломощной версии.

Однако многоуровневые схемы имеют и свои недостатки, основным из которых является большее количество полупроводниковых приборов, что требует увеличения количества драйверов и изолированных источников питания. Однако и эту проблему можно решить, например, путем использования недорогих и экономичных маломощных (до 1 Вт) преобразователей, построенных по обратноходовым схемам.

Пример многоуровневого инвертора мощностью 4 кВт, не требующего системы охлаждения

В качестве примера, позволяющего оценить возможности современных технологий, рассмотрим схему демонстрационной платы однофазного инвертора мощностью 4 кВт, построенного по схеме пятиуровневого преобразователя с коммутируемым силовым конденсатором. Особенностью этого решения является полное отсутствие радиаторов и вентилятора принудительного охлаждения, поскольку максимальное значение КПД этой системы достигает 99% и не опускается ниже 98,7% в диапазоне выходных мощностей, начиная от 500 Вт.

Схема демонстрационной платы показана на рисунке 4, а ее основные характеристики приведены в таблице 1. Особенностью данной схемы является использование в силовой части 150-вольтовых транзисторов BSC093N15NS5 семейства OptiMOS 5 (сопротивление канала в открытом состоянии – 9,3 мОм) при напряжении питающей шины, равным 400 В. Несмотря на повышенную сложность и большое количество силовых транзисторов, энергетические характеристики и удельная мощность этого решения намного (на несколько порядков) превосходят аналогичные устройства, построенные по традиционным схемам на основе кремниевых IGBT или MOSFET с суперпереходом.

Рис. 4. Схема однофазного пятиуровневого инвертора с коммутируемым конденсатором

Таблица 1.  Основные характеристики пятиуровневого инвертора

Результаты измерений КПД этой схемы показаны на рисунке 5. Как видно из графиков, максимальное значение этого параметра (приблизительно 99,1%) достигается при выходной мощности около 2 кВт. При увеличении нагрузки до 4 кВт КПД уменьшается до 98,7%, однако при этом оно все равно остается достаточно высоким для того, чтобы схема могла на протяжении длительного времени работать при естественном охлаждении, а сами транзисторы были смонтированы непосредственно на плате без использования радиаторов.

Рис. 5. Зависимость КПД пятиуровневого инвертора от величины выходной мощности

Заключение

Развитие технологий преобразования электрической энергии поставило инженеров перед сложным выбором. Какую технологию для повышения характеристик инвертора теперь использовать: старые проверенные схемы, но на новой карбид-кремниевой элементной базе или новые схемы, но на традиционных кремниевых MOSFET с пониженным напряжением?

Конечно, проще всего перейти на карбид-кремниевую элементную базу – ведь при этом можно использовать уже существующие наработки и отлаженный технологический процесс. Однако при этом энергетический эффект может казаться не таким впечатляющим, и для работы инвертора все равно потребуются и радиаторы, и система принудительного охлаждения (особенно при выходной мощности более 5 кВт).

А вот для перехода на многоуровневый принцип преобразования потребуется больше времени и сил, поскольку эта технология пока еще является относительно новой, и для ее освоения, возможно, придется даже провести некоторые дополнительные исследования. Однако конечный результат в виде КПД, равного 99%, повышенной удельной мощности и меньшей стоимости системы, наверное, стоит затраченных усилий. Поэтому в новых разработках инверторов для солнечных электростанций все-таки рекомендуется обратить пристальное внимание именно на схемы, использующие многоуровневый принцип преобразования.

Оригинал статьи

                                   Перевел Александр Русу по заказу АО Компэл

•••

Инновационные технологии для повышения эффективности и КПД электростанций — Рейтинг электросетевых компаний. Сентябрь 2018 года — Энергетика и промышленность России — WWW.EPRUSSIA.RU

Современная генерация энергии следует нескольким общемировым тенденциям. Количество производимых киловатт-часов неуклонно растет. Основными потребителями становятся крупные города и агломерации.

Необходимость в электроэнергии носит ярко выраженный сезонный и суточный характер. Генерация следует за своими потребителями и концентрируется в зонах наибольшего потребления электричества.

Производители электроэнергии стремятся повысить КПД своей генерации, снизить эксплуатационные издержки и повысить выдачу. Увеличивают выработку альтернативные источники. Новая генерация оказывает положительное влияние на общий экологический баланс, но в то же время добавляет элемент нестабильности в распределенных электросетях.

Упомянутые тенденции приводят к формированию специфических требований к оборудованию, которое должно обеспечить необходимую гибкость и надежность в производстве электроэнергии. Эволюция современных технологий оказывает положительное влияние на производственные процессы электростанций. Производители генерирующего оборудования следуют мировым тенденциям. Повышая энергетические показатели, создают все более автоматизированные системы, снижая влияние человеческого фактора и обеспечивая более высокую надежность систем. Кроме того, современные производители электроэнергии не могут себе позволить частое и дорогостоящее обслуживание генерирующего оборудования.

На протяжении 25 лет компания Siemens последовательно развивает линейку вакуумных генераторных выключателей, позволяющих решать комплекс задач в коммутации высоких токов генератора и обеспечивающих защиту основных узлов и агрегатов в автоматическом режиме. В настоящий момент генераторные выключатели Siemens используются на тепловых, гидро- и гидроаккумулирующих электростанциях. 3100 устройств производства Siemens обеспечивают сегодня бесперебойную выработку 77,9 ГВт электроэнергии.

Компания первой в мире испытала и запустила в серийное производство генераторный комплекс для номинального тока 12  500 А и с токами отключения 100 кА.

Использование вакуумных камер вместо распространенных элегазовых увеличивает надежность генераторного выключателя (ГВ). В настоящее время вакуумный выключатель обеспечивает более 10  000 коммутаций при номинальном токе и не менее 30 коммутаций 100 % токов короткого замыкания.

Залогом таких выдающихся возможностей вакуумных ГВ выступают уникальная технология изготовления медно-хромового сплава и конструкция контактов AMF (Axial Magnetic Field).

Международная испытательная лаборатория КЕМА (Нидерланды) подтвердила уникальные способности вакуумных ГВ многократно отключать токи 100 кА и выдерживать длительную работу при номинальных токах выше 10  000 А.

Используя преимущества оборудования Siemens, гидроаккумулирующие станции способны работать в реверсивном режиме в несколько раз дольше, чем с применением элегазовых или масляных выключателей.

В условиях распределенной генерации производители электроэнергии идут по пути увеличения количества коммутаций для оптимального управления генераторами и стабильности электроснабжения.

Не менее важное достоинство вакуума – отсутствие продуктов распада изоляционной среды, как это происходит с гексафторидом серы (SF6). Использование элегаза в других ГВ приводит к необходимости превентивных средств защиты персонала станции (принудительная вентиляция) и постоянного мониторинга утечек токсичного газа. В процессе коммутации высоких токов происходит разложение гексафторида серы на токсичные производные. Стоит также отметить влияние элегаза на повышение температуры атмосферы, что нашло отражение в Киотском протоколе. Воздействие шестифтористой серы на процессы глобального потепления в 22,8 раза выше, чем у CO₂, вследствие чего элегаз признан самым опасным для экологии из всех промышленных газов. К примеру, один элегазовый выключатель электростанции мощностью 400 МВт содержит 39 кг сернофтористого соединения. Согласно стандарту МЭК, элегазовое устройство допускает утечку 1 % в год. Таким образом, один такой ГВ выбрасывает в атмосферу эквивалент 9,75 тонны CO₂ ежегодно.

Вакуумный ГВ не может наносить никакого вреда. Внутри камеры не образуются продукты распада, нет окисления и нагара на контактах. Металлокерамическая оболочка обеспечивает практически бесконечную герметичность вакуумной камеры. Расчеты долговечности камеры на основе обследования более 49,5 млн произведенных прерывателей показывают, что нарушение герметичности возможно один раз в 51  300 лет.

Использование вакуума в генераторных выключателях отражает тренд по доминированию этой среды в коммутационных устройствах среднего напряжения. За последние 20 лет доля вакуумных выключателей достигла 80 %. Компания Siemens уверена в будущем вакуумных генераторных выключателей и стремится сохранить за собой роль лидера.

Преобразующие энергетические системы | Министерство энергетики

Офис
Управление ископаемой энергией и выбросами углерода

Fueling Progress

Ископаемое топливо является основным источником энергии в мире и составляет более 60% электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах. Электростанции, работающие на ископаемом топливе, обеспечивают стабильность и надежность работы энергосистемы США. В недавнем отчете Международного энергетического агентства (МЭА) указывается, что к 2040 году уголь по-прежнему будет крупнейшим источником производства электроэнергии в мире. Министерство энергетики США стремится повысить эффективность, надежность и производительность действующей в США угольный парк электростанций, работающих на ископаемом топливе, одновременно обеспечивая гибкость и стабильность благодаря внедрению возобновляемых источников энергии, а также совершенствуя технологии, которые будут лежать в основе угольных электростанций будущего.

Средняя угольная электростанция в США работает с КПД около 33%. Программа исследований трансформационных энергетических систем направлена ​​на повышение эффективности существующих станций на 5% к 2023 году и новых станций к 2027 году. Это будет достигнуто за счет улучшения базовых технологий, компонентов, систем и операций, которые будут включать новые датчики и искусственный интеллект. (ИИ) на существующих заводах.

Основное внимание в программе будет уделяться ранним исследованиям и разработкам в области передовых технологий, таких как циклы топпинга, усовершенствованные материалы для работы при высоких температурах и давлениях, системы управления с динамическим анализом данных для раннего отказа компонентов, которые промышленность может использовать на существующих объектах для улучшения производительность, эффективность и гибкость установок. Программа также направлена ​​на разработку небольшой, гибкой, угольной электростанции с нулевым или близким к ней уровнем выбросов, которая будет производить электроэнергию с эффективностью более 40 % с отслеживанием нагрузки (> 4 %/мин) и сокращением времени запуска. Инновационные концепции производства электроэнергии, которые находятся на грани того, чтобы потребовать новой интеграции системы и демонстрации масштаба 50-350 МВт, могут привести к общей эффективности, близкой к 45% для угольных электростанций.

Технологические усовершенствования для существующих электростанций

Усовершенствования турбин, котлов и других важных компонентов открывают возможности для повышения эффективности, надежности, гибкости и стабильности электростанций. Министерство энергетики поддерживает инвестиции в НИОКР в ряде областей, включая повышение рабочих температур электростанции при количественной оценке воздействия на всю систему, повышение температуры и давления пара для повышения теплового КПД, скользящее повышение давления, улучшение материалов конденсатора, уплотнения воздухонагревателей, аккумулирование тепла, датчики для обнаружения ранних отказов и цифровой мониторинг с базовым анализом ИИ. Координация этих усилий должна быть интегрирована на ряде установок, что также могло бы улучшить отправку этих угольных установок в существующих и будущих рыночных условиях за счет повышения эффективности и надежности при всех нагрузках.

Для достижения наилучших улучшений необходимо координировать и оптимизировать все модернизации завода и улучшения компонентов. С этой целью Министерство энергетики поддерживает исследования в области данных и аналитики, моделирования и анализа, мониторинга производительности и оптимизации проектирования систем. Особое внимание уделяется контрольно-измерительным приборам, способным выдерживать суровые условия и вносить ценный вклад в эффективную работу котлов и турбин. Искусственный интеллект, основанный на прогнозирующем обслуживании отдельных компонентов, таких как турбина и лопасти вентилятора, отказы труб котла, чистота конденсатора и утечки из воздухонагревателя, поможет снизить эксплуатационные расходы. В настоящее время Министерство энергетики поддерживает более 40 проектов, связанных с повышением эффективности, стабильности и гибкости существующих угольных электростанций.

Угольные электростанции будущего

Изменения в электроэнергетике США меняют парадигму управления генерирующими активами страны. Потребность в значительном диспетчерском производстве, важнейших вспомогательных услугах, надежности сети и проблемах энергетической безопасности в сочетании с потенциально более высокими будущими ценами на природный газ создает возможности для передовой угольной генерации как для внутреннего, так и для международного развертывания. Развертывание новых угольных электростанций потребует другого мышления и выхода за рамки сегодняшних концепций электростанций общего назначения (например, блоков базовой нагрузки) и современных технологий, а также инновационных подходов к проектированию и строительству. Программа DOE Transformative Power Generation направлена ​​на продвижение исследований и разработок в этих технологических областях для создания в партнерстве с промышленностью опытной электростанции с этими передовыми подходами. В частности, Министерство энергетики предполагает, что будущий угольный парк может быть основан на электрогенерирующих установках, обладающих многими из перечисленных ниже характеристик:

• Высокая общая эффективность установки (40%+ HHV или выше при полной нагрузке, с минимальным снижением эффективности в требуемом диапазоне выработки без улавливания углерода).
• Модульный (блоки мощностью примерно от 50 до 350 МВт), максимально использующий преимущества высококачественного и недорогого заводского изготовления для минимизации затрат на строительство на месте и времени проектного цикла
• Нулевые или почти нулевые выбросы, со встроенной системой улавливания углерода в установку
• Вся установка должна быть способна работать с высокой скоростью линейного изменения (>4%/мин) и низкой нагрузкой (<20%)
• Минимальное потребление воды
• Сокращение сроков проектирования, строительства и ввода в эксплуатацию по сравнению с обычными нормами за счет использования методов, включая, помимо прочего, передовые технологические процессы и методы параметрического проектирования принудительные отключения
• Интеграция с обогащением угля или другими потоками создания ценности предприятия (например, совместное производство)
• Совместное сжигание природного газа и до 20% биомассы

Power Plant Efficiency — EnggCyclopedia

В общих чертах, эффективность – это результат процесса по сравнению с входом. В контексте электростанции у нас есть три типа эффективности.

• Экономическая эффективность
• Операционная эффективность
• Энергоэффективность

Экономическая эффективность электростанции

Экономическая эффективность, по сути, представляет собой удельную стоимость производства полезной продукции и, как правило, является основным фактором, определяющим проектирование и эксплуатацию технологического предприятия.

Операционная эффективность электростанции

Операционная эффективность обычно называется «коэффициентом мощности» или иногда «коэффициентом нагрузки» и измеряет фактическую производительность процесса по сравнению с потенциальной максимальной производительностью.

Энергоэффективность электростанции

Энергоэффективность относится к отношению полезной работы, произведенной к подводимому теплу, поэтому может быть более правильным использовать «эффективность преобразования энергии» при рассмотрении смешанных входов и выходов.

Тепловая мощность

Энергоэффективность тесно связана с «Тепловой мощностью». Тепловая мощность — это количество тепла, необходимое для производства единицы полезной мощности, поэтому более низкая тепловая мощность более эффективна и дает более высокий процент энергоэффективности. Соотношение, наиболее часто используемое для описания расхода тепла и эффективности производства электроэнергии, выглядит следующим образом:

Энергоэффективность = 3600 / расход тепла

Где расход тепла измеряется в кДж/кВтч, МДж/МВтч или ГДж/ГВтч.

В анализе, связанном с энергией, часто используются такие термины, как тепловой КПД, анергия, эксергия.

Тепловой КПД

«Тепловой КПД» строго определяется как полезная выходная энергия для данного количества валовой входной тепловой энергии и, следовательно, немного отличается от эффективности преобразования энергии, которая может включать как тепло, так и мощность в качестве входных и выходных данных.

Эксергия

«Эксергия» определяется как мера способности системы выполнять работу Эксергия «В» системы по отношению к резервуару представляет собой максимальную работу, выполненную системой во время преобразования, которое приводит ее в равновесия с резервуаром. Анализ эксергии используется в области промышленной экологии в качестве инструмента как для уменьшения количества эксергии, необходимой для процесса, так и для более эффективного использования имеющейся эксергии.Эксергетическая эффективность также называется эффективностью по второму закону, поскольку она вычисляет эффективности процесса с учетом энергии.

Анергия

«Энергия» — это дополнительная часть (тепловой) энергии, которая не может быть преобразована в работу.

Принимая во внимание второй закон термодинамики. Балансы энергии E и эксергии B процесса:

Einput = Ein product + Eloss

Binput = Bin product + Bloss + Bdestroyed

Эффективность η процесса может быть описана с помощью термодинамических потенциалов E или B. Эффективность это часть потенциала, которая проникает в продукт.

Эффективность, указанная поставщиками оборудования, обычно представляет собой преобразование энергии или термодинамическую эффективность по первому закону. Это показывает, насколько хорошо конкретное устройство преобразует один вид энергии в другой, но не указывает, как оборудование сравнивается с альтернативным процессом преобразования энергии.

Примером, который можно использовать для иллюстрации разницы между эффективностью преобразования энергии и эффективностью эксергии, является сжигание природного газа исключительно для нагрева воды. Хотя это имеет высокий КПД по первому закону, он имеет низкий КПД по второму закону и тратит большое количество высокотемпературной высококачественной энергии на нагрев относительно холодной воды.

Типовая эффективность электростанции

Эффективность различных типов источников выработки электроэнергии:

Эффективность угольной электростанции

Угольная электростанция работает по модифицированному циклу Ренкина. Его эффективность определяется параметрами этого цикла. Изменения эффективности различных электростанций в основном связаны с различной температурой, давлением, температурой перегрева пара и пара промежуточного перегрева. Обычные электростанции работают при 170 бар и параметрах перегретого пара 570°C. Их эффективность составляет 35-38% в зависимости от природы угля. Сверхкритические тепловые электростанции работают при 220 бар и 600°C, а их КПД обычно составляет 42%. В то время как ультра сверхкритические параметры установки составляют 300 бар и 600 ° C, а эффективность составляет около 45-48%.

2 Типы угольных электростанций ^и представляют собой IGCC (комбинированный цикл с интегрированной газификацией), и эти установки имеют КПД 45-55% в зависимости от качества угля и процесса, выбранного для газификации.

Эффективность электростанции на возобновляемых источниках энергии

• Гидроэлектростанция имеет самый высокий КПД. Потенциальный напор воды близок к турбине, поэтому потерь нет, есть только некоторые потери турбины.
  
  Кпд электростанций: Что такое КПД? Электростанции