Цахилгаан үйлдвэрлэл дэх энерги хувиргалт
Эрчим хүчний хувиргалт гэдэг нь нэг төрлийн энергийг хүний хэрэгцээнд илүү ашигтай, нөгөө хэлбэрт хувиргах үйл явц юм. Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх хүрээнд эрчим хүчний хувиргалт нь цахилгаан станцууд цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэж, дараа нь өрх, үйлдвэр, олон нийтийн янз бүрийн байгууламжид түгээдэг гол цөм юм. Бараг бүх цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэх системүүд нь химийн энерги, дулаан, механик энергиэс эхлээд эцсийн дүндээ цахилгаан энерги хүртэл хэд хэдэн эрчим хүчний хувиргалтыг дамжин ажилладаг. Энэхүү хувиргах үйл явцыг ойлгох нь цахилгаан үйлдвэрлэх технологи бүрийн давуу тал, хязгаарлалт, үр ашиг, байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөллийг ойлгоход чухал ач холбогдолтой юм.
1. Эрчим хүч ба цахилгаан эрчим хүчний үндсэн ойлголтууд
Эрчим хүчийг бий болгох эсвэл устгах боломжгүй боловч энерги хадгалагдах хуулийн дагуу хэлбэрээ өөрчилж болно. Үүний зэрэгцээ цахилгаан эрчим хүч нь цахилгаан цэнэг (электрон)-ы хөдөлгөөнтэй холбоотой энергийн нэг хэлбэр юм. Эрчим хүчний системд цахилгаан энергийг ерөнхийдөө цахилгаан соронзон индукцийн зарчимд үндэслэн механик энергийг (эргэлтийн хөдөлгөөн) цахилгаан энерги болгон хувиргадаг машинууд болох генераторуудаар дамжуулан үүсгэдэг. Өөрөөр хэлбэл, олон генераторууд нэг үндсэн зорилгод анхаарлаа хандуулдаг: генераторыг ажиллуулахад хангалттай хүчтэй, тогтвортой турбин эсвэл босоо амны эргэлтийг бий болгох.
2. Цахилгаан станцуудад эрчим хүч хувиргалтын ерөнхий үе шатууд
Цахилгаан станцуудын төрлүүд харилцан адилгүй байдаг ч эрчим хүчний хувиргалтын үе шатууд нь ихэвчлэн ижил төстэй хэв маягтай байдаг:
1. Анхдагч эрчим хүчний эх үүсвэрүүд: жишээлбэл, нүүрс, хий, уран, ус, салхи, нарны гэрэл, эсвэл газрын гүний дулааны эрчим хүч.
2. Завсрын энерги болгон хувиргах: ихэвчлэн дулааны (дулааны) энерги эсвэл кинетик энерги (шингэний хөдөлгөөн) хэлбэрээр байдаг.
3. Механик энерги болгон хувиргах: ерөнхийдөө турбин (уур, хий, ус эсвэл салхи)-г эргүүлэх.
4. Цахилгаан энерги болгон хувиргах: генератор нь цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг.
5. Дамжуулах ба түгээх: цахилгаан эрчим хүчний хүчдэл нэмэгдэж, сүлжээгээр дамжин илгээгдэж, дараа нь хэрэглэгчийн хэрэгцээнд зориулж хүчдэл буурдаг.
Зарим цахилгаан станцуудад тодорхой алхмуудыг алгасаж болно. Жишээлбэл, нарны хавтангууд нь турбингүйгээр гэрлийн энергийг шууд цахилгаан болгон хувиргаж чаддаг.
3. Уурын цахилгаан станц (УЦС): химийн энерги → дулаан → механик → цахилгаан
Нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станц нь давхарласан хувиргалтын сонгодог жишээ юм. Нүүрсэнд хадгалагдсан химийн энерги нь бойлерийн шаталтаар ялгардаг. Үүссэн шаталт нь усыг халааж, өндөр даралттай, өндөр температурт уур болгон хувиргадаг. Дараа нь энэ уурыг уурын турбин руу нийлүүлж, улмаар ирийг нь эргүүлдэг. Турбины эргэлт нь генераторыг ажиллуулж, цахилгаан үүсгэдэг.
Хөрвүүлэлтийн гинжин хэлхээг дараах байдлаар нэгтгэн дүгнэж болно.
химийн энерги (нүүрс) → дулааны энерги (уур) → механик энерги (турбин) → цахилгаан энерги (генератор).
Нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцуудын гол бэрхшээл нь термодинамикийн хуулиас үүдэлтэй хязгаарлагдмал дулааны үр ашиг, мөн хүлэмжийн хий болон бохирдуулагч бодисын ялгаруулалт юм. Тиймээс үр ашгийг нэмэгдүүлэх, байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөллийг бууруулахын тулд хэт чухал/хэт чухал цахилгаан станц болон ялгарлын хяналтын систем зэрэг технологиудыг боловсруулсан.
4. Хийн түлшээр ажилладаг цахилгаан станцууд (PLTG/PLTGU): химийн энерги → дулаан/даралт → механик → цахилгаан
Хийн түлшээр ажилладаг цахилгаан станцад байгалийн хийг хийн турбины шаталтын камерт шатаадаг. Үүссэн шаталт нь хийн турбиныг шууд эргэлдүүлдэг халуун, өндөр даралттай хий үүсгэдэг. Энэхүү турбин нь генератортой холбогдож, эргэлтийн механик энергиэс цахилгаан үүсгэдэг.
Цаашилбал, хосолсон циклийн (PLTGU) системд хийн турбины утааны хийн дулааныг нэмэлт уурын турбиныг ажиллуулдаг уур үүсгэхэд дахин ашигладаг. Энэ нь "хаягдал дулаан"-ыг шууд хаядаггүй тул эрчим хүчний хувиргалтыг илүү үр ашигтай болгодог. Энэ систем нь үйлдвэрийн нийт үр ашгийг нэмэгдүүлж, кВт.ц цахилгаан тутамд түлшний зарцуулалтыг бууруулдаг.
5. Усан цахилгаан станцууд (УЦЦ): потенциал энерги → кинетик → механик → цахилгаан
Усан цахилгаан станцууд өндөрлөг газарт (усан сан эсвэл гол мөрөн) хадгалагдсан усны таталцлын потенциал энергийг ашигладаг. Ус нь хаалттай саваар (хаалттай саваар) урсах үед потенциал энерги нь кинетик энерги (хурдан урсгал) болж хувирдаг. Энэ урсгал нь усны турбин (жишээ нь, Фрэнсис, Каплан эсвэл Пелтон турбин)-ийг эргүүлж, дараа нь цахилгаан үйлдвэрлэхийн тулд генераторыг эргүүлдэг.
Хөрвүүлэлтийн гинжин хэлхээ:
усны потенциал энерги → кинетик энерги → турбины механик энерги → цахилгаан энерги.
Усан цахилгаан станцууд ерөнхийдөө шаталт шаарддаггүй тул ялгаруулалт бага байдаг. Гэсэн хэдий ч далан барих нь экосистем, тунадасжилт болон хүрээлэн буй орчны нийгмийн өөрчлөлтөд нөлөөлж болно.
6. Салхин цахилгаан станц (СЭЦ): салхины кинетик энерги → механик → цахилгаан
Салхин турбин (СЭТ) нь хөдөлж буй агаарын массын кинетик энергийг ашигладаг. Салхи нь турбины ирийг (ротор) эргүүлдэг. Энэхүү эргэлтийг цахилгаан үйлдвэрлэхийн тулд генератор руу (заримдаа хурдны хайрцгаар, заримдаа шууд хөтлөгчөөр) дамжуулдаг.
Үйл явц:
салхины кинетик энерги → роторын механик энерги → цахилгаан энерги.
Үүний давуу талууд нь сэргээгдэх эрчим хүчний эх үүсвэр бөгөөд ашиглалтын явцад ялгаруулалт үүсгэдэггүй явдал юм. Үүний хязгаарлалт нь салхины хэлбэлзэлтэй шинж чанарт оршино. Энэ нь цахилгаан гаралтыг тогтворгүй болгож, сүлжээг зохицуулах систем, эрчим хүчний хадгалалт эсвэл бусад үүсгүүртэй хослуулахыг шаарддаг.
7. Нарны цахилгаан станцууд (PLTS): цацрагийн энерги → цахилгаан
Фотоволтайк нарны цахилгаан станцууд нь фотоволтайк эффектийн зарчмаар ажилладаг: нарны гэрлээс үүссэн фотонууд хагас дамжуулагч материал (цахиур гэх мэт)-д цохигдож, дараа нь электронуудын хөдөлгөөнийг бий болгож, цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг. Хувиргах үйл явц нь богино байдаг:
нарны цацрагийн энерги → цахилгаан энерги.
Гэсэн хэдий ч нарны хавтангаас гаргаж авдаг цахилгаан нь шууд гүйдэл (DC) бөгөөд сүлжээнд тохирохын тулд хувьсах гүйдэл (AC) болгон хувиргахын тулд инвертер шаардлагатай болдог. Салхины нэгэн адил нарны эрчим хүч хэлбэлздэг тул гаралт нь цаг агаар, байршил, өдрийн цаг хугацаанаас хамаарна.
Фотоволтайкаас гадна нарны дулааныг төвлөрүүлж уур гаргаж, турбин эргүүлдэг дулааны нарны цахилгаан станцууд (CSP) байдаг бөгөөд энэ нь зарчмын хувьд нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцтай төстэй боловч дулааны эх үүсвэр нь нарнаас гардаг.
8. Геотермийн цахилгаан станц (ГДЦС): геотермийн → механик → цахилгаан
Геотермаль цахилгаан станцууд (PLTP) нь газрын гүний дулааныг ашиглан геотермаль усан сан дахь ус эсвэл шингэнийг халаах үйлчилгээтэй. Энэхүү халуун шингэн нь шууд уур эсвэл тодорхой процессоор ууршдаг халуун ус байж болно. Уур нь турбин болон генераторыг эргүүлж, цахилгаан үүсгэдэг.
Хувиргах хэлхээ:
газрын гүний дулааны энерги → шингэний дулааны энерги → турбины механик энерги → цахилгаан энерги.
Геотермаль цахилгаан станцууд (PLTP) нь салхи, нарны эрчим хүчтэй харьцуулахад харьцангуй тогтвортой, чулуужсан түлшний цахилгаан станцуудтай харьцуулахад ялгаруулалт багатай тул суурь ачааллын генератор байх давуу талтай. Сорилтуудад хайгуулын зардал, өрөмдлөгийн эрсдэл, шингэн болон бохирдуулагч хийн менежмент орно.
9. Хөрвүүлэлтийн үр ашиг ба эрчим хүчний алдагдал
Хөрвүүлэлтийн үе шат бүр нь энергийн алдагдалтай дагалддаг бөгөөд энэ нь ихэвчлэн үрэлт, цахилгаан эсэргүүцэл эсвэл техникийн хязгаарлалтаас болж дулааны алдагдал хэлбэрээр явагддаг. Үр ашиг нь оролтын энергийг гаралтын цахилгаан энерги болгон хэр их хувиргаж байгааг тодорхойлдог.
Дулааны цахилгаан станцуудад (нүүрс, хий, цөмийн) термодинамикийн зарчмын дагуу дулааны эх үүсвэр ба хүрээлэн буй орчны температурын зөрүү нь үр ашгийг ихээхэн нөлөөлдөг. Салхи, нарны эрчим хүч зэрэг сэргээгдэх цахилгаан станцуудад үр ашиг нь төхөөрөмжийн шинж чанар (турбины аэродинамик, нарны зай хураагуурын чанар) болон хүрээлэн буй орчны нөхцөл байдлаас илүү их хамаардаг.
Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхээс гадна кабель болон тоног төхөөрөмжийн эсэргүүцлээс болж дамжуулах, түгээхэд эрчим хүчний алдагдал гардаг тул хангамжийн чанарыг хадгалахын тулд сүлжээний төлөвлөлт маш чухал юм.
10. Дүгнэлт
Цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхэд эрчим хүчний хувиргалт нь янз бүрийн анхдагч энергийг ашиглах боломжтой цахилгаан эрчим хүч болгон хувиргадаг гинжин процесс юм. Нүүрсээр ажилладаг цахилгаан станцууд (PLTU) болон чулуужсан түлшээр ажилладаг цахилгаан станцууд нь химийн энергийг дулаан болгон хувиргаж, дараа нь хөдөлгөөнд оруулдаг бол усан цахилгаан станцууд болон салхин цахилгаан станцууд (PLTA) нь шингэний хөдөлгөөний энергийг шууд ашиглан турбинуудыг эргүүлдэг. Фотоволтайк нарны цахилгаан станцууд (PLTS) нь механик алхамгүйгээр нарны цацрагийг шууд цахилгаан болгон хувиргаж чаддаг. Технологи бүр өөр өөр эрчим хүчний хувиргах шинж чанар, үр ашиг, өртөг, байгаль орчинд үзүүлэх нөлөөтэй байдаг. Ирээдүйд хувиргах үр ашгийг сайжруулах, сэргээгдэх эрчим хүчний хэрэглээг өргөжүүлэх, эрчим хүчний хадгалалт болон ухаалаг сүлжээг нэгтгэх нь цахилгаан эрчим хүчний өсөн нэмэгдэж буй эрэлтийг илүү цэвэр, илүү тогтвортой аргаар хангах гол түлхүүр болно.
