根据能量守恒:中国电网每天发那么多电,用不完的电到哪里去了?
大部分朋友家里都有峰谷电表,谷电的价格只有峰电的一半,当然这不是给大家福利,而是鼓励使用谷电,从另一个意义上来说,谷电这个时间段里电是“多余”的,不用就浪费了!那么这些浪费的电去哪了呢?
有人将用溪流来比喻电流,筑水坝可以将用不完的水累积起来,等没水用的时再放水使用!所以整个电网中如果有用不完的电肯定就在哪个角落里堆积起来了,缺电的时候也能释放出来,真是这样吗?
尽管用电与发电在任何情况下都是相等的,但水力或者风力或者光电这些是有时效的,比如长江丰水期水力资源非常丰富,到了枯水期水量又不足,或者有风的时候没人用电,用电的时候却没有风!这种情况是比较尴尬的,那么有办法将这些浪费的能量储存起来吗?
电能在我国各行各业都离不开的,大到工业和农业的生产、小到各个家庭的生活。我们每天所用的电都是由国家电网公共电力系统提供的,下面我就针对整个发电、输电和配电以及用电等环节与朋友们探讨一下。
我们知道中国电网组成的是一个庞大的系统,在我国幅员辽阔的土地上只要是有居民居住的地方都用上了电。在这样一个庞大的电网中主要由发电厂、电力网和用电设备三大部分组成一个整体,由此可见在这个发电、输电和配电用电这些环节并不存在电能的储存环节,也就是说发电厂发出的电与我们用电设备是实时“同步”的。
发电厂发出的电其电压比较低需要经过升压变电所将低电压变换成高压或者特高压,这些高压一般在220KV以上。升高的高压电再经过输电线路部分送到千里之外的用电地区,比如城市、工厂区、农村等。在送到这些用电地区之前要对高压进行降压,也就是我们所说的降压变电所,把电压降低到10KV后送到工厂或者用电中心。当我们用电时还需要把这10KV的电压经过变压器降低到动力设备所需要的380V电压或者照明所用的市电电压220V。
根据电厂的输送电原理我们可以知道,中国电网发出的电是要根据每个地方用电量的多少可以通过电网进行电能的调度。比如在冬天和夏天两季由于用电负荷的增大有的地区或城市会遇到“用电荒”的现象,要通过电网的调度来满足用电地区用电紧张的局面。因此总体来说我国的电网每年都在满负荷运行,有时还有不够用的时候更谈不上用不完的情况了。我们就是退一步说,即使发出的电能用不完也不可能大量的储存,一是没有必要、二是也不可能,因为我国电能的生产、输送、分配和使用都是同时进行的,这也就是说发电厂所发出的电能与同一时刻用电设备所消耗的所有电能之和。所以说中国电网每天发那么多电都随时被各种用电设备用了。
我们都知道中国已经修建起来了很多的发电站,每一天都能产很多的电,但是我国有一些地区仍然存在着电力不足的问题,那么根据能量守恒定律,我国的电站每天发那么多的电,用不完的电到底到哪里去了呢?为什么还会有一些地区用电紧张呢?
如果你是一个居家生活了多年的人,你应该发现的家里面用的是峰谷电表,而且绝大多数人都知道谷电的价格比较便宜,这其实是在间接地鼓励大家使用谷电。谷电其实就是一段时间里多余的电量,如果不使用就会浪费,你可能会提出一个问题,如果这些电不使用它是浪费了还是到什么地方去储存了呢?
很多人可能会觉得电量用不完就储存起来,但实际上电力与水流那些完全不一样,水流可以在丰水期进行储存,到干旱的时候再放出来,但是电却不一样,因为电源中的电子移动才会产生电流,电流通过我们平时这些用电器就能够做功,为我们的生活带来便利。
但如果这些用电设备不工作,那电路中的电子运动也会马上停止,电流就消失了,这就是在告诉我们电力是没有办法储存的,不过用特殊的方法还是可以把多余的电能储存起来,只是这些方式并不多而且有一点麻烦。我们最常见的电能储存方式应该是通过锂电池或氢蓄电池进行储存的吧,就比如说我们的电瓶车以及手机,但是不论是电瓶车还是手机电脑等设备。他们能够储存的电量都是直流电,而并不是我们日常生活中那些大型设备启动时所使用的交流电,这其实意味着如果我们进行了直流电的储备,那么他再次转化为电能使用时效率就会比较低。
有了直流储存方式之后,肯定也会有交流储存方式,如果按定义是说交流电其实根本没有办法储存,但技术是摆在那里的,人是灵活的。我们可以通过很多特殊的方法将交流电储存起来,比如说我们可以将水流储存起来,储存了之后就可以通过另外一种方法将水进行电离,使其产生交流电。这些方法都是比较困难的,但是为了能够让我们生产出来的这些多余的电量得到有效的利用,我们所使用的方法不论多么困难都会是有意义的。
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在现代社会中,人们已经无法想象没有电的生活。电能是一种看不见摸不着的奇妙能源,可能有的人会想,从商品角度来看,多发电才能多赚钱,那为什么不把多余的电储存起来,等到发电量不足的时候加以使用呢。这样电厂能多赚钱,还能节约能源。
但有物理常识的人应该知道,电能目前是无法大规模储存的。不管是比较常见的蓄电池组,或者是抽水蓄能型的水电站,它们能储存的电能,相对于整个国家的用电规模来说,是极其渺小的。电能的奇妙之处,就在于用掉多少电能,电力系统就产生多少电能,整个电网系统随时处于一个动态的平衡状态。
去年,整个中国全社会用电量达到72255亿千瓦时,规模这么庞大,国家电网怎么保证发电和用电时刻平衡的呢?根据能量守恒:中国电网每天发那么多电,用不完的电到哪里去了?
电力系统的自我调节,使发电量和用电需求最大程度平衡
在我国,不管是国家电网、南方电网还是地方电网,所采用的发电、输配电、用电,都是以交流电的方式进行的。西电东输项目虽然采用了特高压直流输电技术,但在接入电网之前,应用了逆变转换为交流电,才能使用。
交流电的全国统一标准是50HZ,用电和发电都是这个频率标准,只有统一频率的交流电才能互联互通。为什么要首先解释电网频率的问题呢,因为频率决定了发电机运行时的转速。只要是接入中国电网的发动机,运转的节奏都是保持一样的。
对于整个中国电网系统,如果发电量大于用电量,那么电网的频率和电压就会随之上升。也就是说,当电网上的用电量下降时,发电机多余的能量会导致整个系统上的发动机转速增加。能增加多少,大概能增加10%左右。与此同时,要是接入电网系统的电器没有自动功率保护装置,这些电器就会在高压状态下工作,甚至发生危险。
这样可以看出,发动机产生的多余能量一方面变成了发动机转子的机械能,仍然在电网系统当中,另外一方面输出的电压被带高,使得线路上其它用电电器超负荷工作。用电量和供电量矛盾的情况当然会随时出现,不可能每个用户要关电视机之前都跟国家电网打电话报备一下,所以电网系统自有一套调节机制,最大程度地达到发电量等于用电量,减少能源浪费。
由于电力无法存储的瞬时特性,发电出力要与用电负荷功率保持及时的平衡。所以,供需平衡,是电力系统调控运行的本质和必须完成的目的。具体看的话,在电网系统有专门负责调频的电网调控机组,通过调整调频电源出力来响应系统频率变化。调频还分为一次调频和二次调频。其中,一次调频是机组自发地,不受人为控制的调频。
各发电厂的机组根据自身速度变动率的不同,自动做出幅度不同的发电量增减。调节速度快,精度高,但是调节范围小,而且是有差调节。二次调频是由专门的调频机组在电网系统的控制之下,进行的有目的有计划性的调频。
我国目前已运用自动调频技术,通过装在发电厂和调度中心的自动装置随系统频率的变化自动增减发电机的发电出力,保持系统频率在较小的范围内波动。从这个角度来看,每年举行的地球一小时熄灯活动,其实并不能起到节能效果。反而是在考验调频机组的应对能力。
要知道,发电厂和电网之间的调度是一个复杂的问题。各大电厂的人员纪律、配置设备都不同,在我国实行的是分级管理制度,分为县调、市(地)调、省调、区域电网调度、国网调度5级。正是这些网与网之间的协同管理,才保障了国家的电能平衡。
弥补现有调频电源存在的技术局限性,更多大容量储能技术正在发展之中
由前文已经知道,电网的自动调节系统能够调节发电量与用电量之间的需求矛盾。然而,当发电量远超用电量时,不可避免地会发生能源浪费。怎么办?可以想办法把电能储存起来。
在我国,灵活调节电能的政策并没有跟上国家电网的建设速度。抽水蓄能、燃气发电等灵活调节电源装机占比不到6%,欧美等发达国家如西班牙,灵活电源占比达到了34%,可以说我国电能调节能力先天不足。并且,最近几年,风力发电、太阳能发电占比上升,所以大量火电机组(燃煤机组/燃气机组)承担了调控机组的重任,造成了发电煤耗增高、设备磨损严重等一系列负面影响。现有电力调频资源已难以满足可再生能源入网需求。
目前,抽水蓄能是目前占比最高的储能系统,占到全部储能量的99%。抽水蓄能就是将用户没有使用的过多的电力,利用起来,将水从地势低的水库抽到地势高的水库。
然后在电网负荷高、用电量过大的时候,将高位水库的水放回到低位水库,利用水能推动发电机转动起来发电。依据能量守恒定律来看,就是将多余的电能转化为水能,但并不能做到百分百地转化,准确转化率只有四分之三左右。
在我国,已经建设有广蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等几座大型抽水蓄能电站。但这些蓄能水电站目前使用率其实不高,主要受到我国电价政策的制约。抽水蓄能水电站,不是想建就能建的,要看地势选址,要高昂的投资,要周期性的规划建设,对能源的损耗又比较高,所以并不实用,也不能满足未来大规模储能的需要。
除了抽水蓄能外,还有压缩空气储能、超级电容器储能、电化学储能、化学类储能等多种方式的大型储能技术。目前研究发展主要还是集中于超级电容和电池(锂电池、液流电池)上,材料领域的突破才是关键。
最近几年,各种新型的电化学储能电池的开发,取得进展,并被电力系统采用。主要有传统的铅酸电池和钠硫电池。钠硫电池的使用时间比较长,对环境的污染比较小、制造成本也比较低。
但是,钠硫电池的使用环境要求特殊,只有在300摄氏度到350摄氏度之间,才可以正常使用。钠、硫这两种化学物质产生反应之后,会产生电能,钠硫电池自身可以把电能储存起来。电池储能系统用于电网机组调频,也是优点多多。具有快速响应、精确跟踪的特点,比传统调频手段更为高效。
如果大规模储能得到普及,那么电网企业在调峰和供电压力得到缓解的同时,可获取更多的高峰负荷收益。也能减少各种电能质量问题造成的损失。从智能家居、电动汽车的发展来看,没有储能技术,也是无法支撑其有突破性进展的。
不用担心电发多了用不完!
对于整个中国电网来说,考虑的是发电的总量和用户需求的电量,如何平衡一致,这样才能减少能源的浪费。所以在电网系统里面,首先不可能有大量的多余的电能产生。
其次,由于实际过程中,用户无序的使用以及发电端新能源发电的波动性特征使得电网无法保证真正的实时平衡,通过调节供需可以使得电网能在较小的范围内波动,从而达到相对平衡的状态。而储存电能,正是调节电能供需的必要手段,也是未来的发展方向。
一般的吃瓜大众,可以放心用电,不用太担心电网里多余的电去哪儿了,有没有浪费的问题,有一大波专业人员在研究、维护整个电网系统。我们能做的是长期养成节约用电的好习惯。
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