Коэффициент мощности

EIA США , 2011-2013 гг. Ежемесячные коэффициенты мощности

Коэффициент полезной мощности представляет собой безразмерное отношение фактической выработки электроэнергии за определенный период времени к теоретической максимальной выработке электроэнергии за этот период. Теоретическая максимальная выработка энергии данной установки определяется как результат ее непрерывной работы с полной паспортной мощностью в течение соответствующего периода. Коэффициент мощности можно рассчитать для любой установки, производящей электроэнергию, например, топливо потребляющей электростанции, , или электростанции, использующей возобновляемые источники энергии , такие как ветер, солнце или гидроэлектростанции. Средний коэффициент мощности также может быть определен для любого класса таких установок и может использоваться для сравнения различных типов производства электроэнергии.

Фактическая выработка энергии в этот период и коэффициент мощности сильно различаются в зависимости от ряда факторов. Коэффициент мощности никогда не может превышать коэффициент доступности или время безотказной работы в течение периода. Время безотказной работы может быть сокращено, например, из-за проблем с надежностью и технического обслуживания, планового или внепланового. Другие факторы включают в себя конструкцию установки, ее расположение, тип производства электроэнергии и, вместе с тем, либо используемое топливо, либо, в случае возобновляемой энергии, местные погодные условия. Кроме того, коэффициент мощности может подвергаться нормативным ограничениям и рыночным силам , что потенциально влияет как на закупку топлива, так и на продажу электроэнергии.

Коэффициент мощности часто рассчитывается в течение года, усредняя большинство временных колебаний. Однако его также можно рассчитать для месяца, чтобы получить представление о сезонных колебаниях. Альтернативно, его можно рассчитать в течение всего срока службы источника питания, как во время эксплуатации, так и после вывода из эксплуатации. Коэффициент мощности также можно выразить и преобразовать в часы полной нагрузки .

Примеры расчетов

Атомная электростанция

Мировые коэффициенты мощности атомной энергетики

Атомные электростанции находятся на верхнем уровне диапазона коэффициентов мощности, в идеале снижаемых только коэффициентом готовности , т.е. техническим обслуживанием и дозаправкой. Крупнейшая атомная электростанция в США, АЭС Пало-Верде, имеет номинальную мощность трех реакторов 3942 МВт. В 2010 году его годовая выработка составила 31 200 000 МВтч. что приводит к коэффициенту мощности:

${\frac {31,200,000\ {\mbox{MW·h}}}{(365\ {\mbox{days}})\times (24\ {\mbox{hours/day}})\times (3942\ {\mbox{MW}})}}=0.904={90.4\%}$

Каждый из трех реакторов Пало-Верде заправляется каждые 18 месяцев, причем одна дозаправка происходит каждую весну и осень. В 2014 году дозаправка была совершена за рекордные 28 дней. по сравнению с 35 днями простоя, которым соответствует коэффициент мощности 2010 года.

В 2019 году Прейри-Айленд 1 был единицей США с самым высоким коэффициентом и фактически достиг 104,4%.

Ветряная электростанция

Заводская мощность датской морской ветряной электростанции Horns Rev 2 составляет 209,3 МВт.По состоянию на январь 2017 г. с момента ввода в эксплуатацию 7 лет назад он произвел 6416 ГВтч, т.е. среднегодовая выработка 875 ГВтч/год и коэффициент мощности:

${\frac {875,000\ {\mbox{MW·h}}}{(365\ {\mbox{days}})\times (24\ {\mbox{hours/day}})\times (209.3\ {\mbox{MW}})}}=0.477=47.7\%$

Площадки с более низким коэффициентом мощности могут считаться подходящими для строительства ветряных электростанций, например, наземная Fosen Vind мощностью 1 ГВт , которая по состоянию на 2017 г. строится в Норвегии, имеет прогнозируемый коэффициент мощности 39%. На технико-экономические расчеты может влиять сезонность. Например, в Финляндии коэффициент мощности в холодные зимние месяцы более чем вдвое выше, чем в июле. В то время как среднегодовой показатель в Финляндии составляет 29,5%, высокий спрос на тепловую энергию коррелирует с более высоким коэффициентом мощности в зимний период.

Некоторые береговые ветряные электростанции могут достигать коэффициента мощности более 60%, например, электростанция Эоло мощностью 44 МВт в Никарагуа имела чистую выработку 232,132 ГВтч в 2015 году, что эквивалентно коэффициенту мощности 60,2%. в то время как ежегодные коэффициенты мощности в США с 2013 по 2016 год колеблются от 32,2% до 34,7%.

Поскольку коэффициент мощности ветряной турбины измеряет фактическое производство по отношению к возможному производству, он не связан с коэффициентом Бетца 16/27. $\approx$ 59,3%, что ограничивает производство энергии, получаемой от ветра.

Плотина гидроэлектростанции

По состоянию на 2017 год Плотина «Три ущелья» в Китае с номинальной мощностью 22 500 МВт является крупнейшей электростанцией в мире по установленной мощности. В 2015 году он произвел 87 ТВтч при коэффициенте мощности:

${\frac {87,000,000\ {\mbox{MW·h}}}{(365\ {\mbox{days}})\times (24\ {\mbox{hours/day}})\times (22,500\ {\mbox{MW}})}}=0.45=45\%$

Гувера составляет 2080 МВт. Заводская мощность плотины и годовая выработка в среднем 4,2 ТВт·ч. (Годовая выработка колебалась от максимума в 10,348 ТВт·ч в 1984 году до минимума в 2,648 ТВт·ч в 1956 году. ).Взяв средний показатель годовой выработки, получим коэффициент мощности:

${\frac {4,200,000\ {\mbox{MW·h}}}{(365\ {\mbox{days}})\times (24\ {\mbox{hours/day}})\times (2,080\ {\mbox{MW}})}}=0.23=23\%$

Фотоэлектрическая электростанция

В низком диапазоне коэффициентов мощности находится фотоэлектрическая электростанция , которая подает электроэнергию в электросеть от крупномасштабной фотоэлектрической системы (PV-системы). Неотъемлемым ограничением коэффициента мощности является потребность в дневном свете , желательно, чтобы солнце не было заслонено облаками, дымом или смогом , тенью от деревьев и строительных конструкций. Поскольку количество солнечного света варьируется как в зависимости от времени суток, так и от сезона года, коэффициент мощности обычно рассчитывается ежегодно. Количество доступного солнечного света в основном определяется широтой установки и местной облачностью.На фактическое производство также влияют местные факторы, такие как пыль и температура окружающей среды, которая в идеале должна быть низкой. Как и для любой электростанции, максимально возможное производство электроэнергии — это номинальная мощность, умноженная на количество часов в году, а фактическое производство — это количество электроэнергии, ежегодно подаваемой в сеть.

Например, солнечный проект Agua Caliente , расположенный в Аризоне недалеко от 33-й параллели и награжденный за выдающиеся достижения в области возобновляемых источников энергии, имеет номинальную мощность 290 МВт и фактическую среднегодовую выработку 740 ГВтч/год.Таким образом, его коэффициент мощности составляет:

${\frac {740,000\ {\mbox{MW·h}}}{(365\ {\mbox{days}})\times (24\ {\mbox{hours/day}})\times (290\ {\mbox{MW}})}}=0.291=29.1\%$.

Значительно меньший коэффициент мощности достигается у энергетического парка Лауинген , расположенного в Баварии , недалеко от 49-й параллели. При номинальной мощности 25,7 МВт и фактической среднегодовой выработке 26,98 ГВтч/год он имеет коэффициент использования мощности 12,0%.

Определяющие факторы коэффициента мощности установки

Существует несколько причин, по которым завод будет иметь коэффициент мощности ниже 100%. К ним относятся технические ограничения, такие как доступность электростанции, экономические причины и доступность энергоресурсов.

Установка может какое-то время не работать или работать с пониженной производительностью из-за сбоев оборудования или планового технического обслуживания. Это составляет большую часть неиспользованной мощности электростанций с базовой нагрузкой . Электростанции с базовой нагрузкой обычно имеют низкие затраты на единицу электроэнергии, поскольку они рассчитаны на максимальную эффективность и работают непрерывно с высокой производительностью. Геотермальные электростанции , атомные электростанции , угольные электростанции и биоэнергетические установки , сжигающие твердый материал, почти всегда работают в режиме базовой нагрузки, поскольку их может быть сложно приспособить к потребностям.

Производство электростанции также может быть ограничено или намеренно оставлено бездействующим, потому что в электроэнергии нет необходимости или потому, что цена на электроэнергию слишком низкая, чтобы сделать производство экономичным.На их долю приходится большая часть неиспользованной мощности пиковых электростанций и электростанций, следующих за нагрузкой .Пиковые установки могут работать всего несколько часов в год или до нескольких часов в день.Многие другие электростанции работают только в определенное время дня или года из-за колебаний нагрузок и цен на электроэнергию.Например, если установка нужна только в течение дня, даже если она работает на полную мощность с 8:00 до 20:00 каждый день (12 часов) в течение всего года, ее коэффициент мощности будет только 50%.Из-за низкого коэффициента мощности электроэнергия от пиковых электростанций является относительно дорогой, поскольку ограниченное производство должно покрывать постоянные затраты станции.

Третья причина заключается в том, что на заводе может не хватать топлива для постоянной работы. Это может относиться к электростанциям, работающим на ископаемом топливе, с ограниченными поставками топлива, но в первую очередь это относится к непостоянным возобновляемым ресурсам. Коэффициент мощности солнечных фотоэлектрических и ветряных турбин ограничен наличием их «топлива», солнечного света и ветра соответственно.Гидроэлектростанция может иметь коэффициент мощности ниже 100% из-за ограничения или нехватки воды, или ее мощность может регулироваться в соответствии с текущей потребностью в электроэнергии, сохраняя запасенную воду для последующего использования.

Другие причины, по которым электростанция может не иметь коэффициент мощности 100%, включают ограничения или ограничения на разрешения на использование воздуха и ограничения на передачу, которые вынуждают станцию ​​сокращать мощность.

Коэффициент мощности возобновляемой энергетики

Ежемесячные коэффициенты мощности возобновляемых источников энергии от EIA США , 2011–2013 гг.

Для возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия , энергия ветра и гидроэлектроэнергия , основной причиной снижения коэффициента мощности обычно является доступность источника энергии. Установка может быть способна производить электроэнергию, но ее «топливо» ( ветер , солнечный свет или вода ) может быть недоступно. На производительность гидроэлектростанции также могут влиять требования по предотвращению слишком высокого или низкого уровня воды и обеспечению водой рыб , находящихся ниже по течению. Однако солнечные, ветряные и гидроэлектростанции имеют высокий коэффициент готовности , поэтому, когда у них есть топливо, они почти всегда способны производить электроэнергию.

Когда на гидроэлектростанциях имеется вода, они также полезны для отслеживания нагрузки из-за их высокой диспетчеризации . Операторы типичной гидроэлектростанции могут вывести ее из остановленного состояния на полную мощность всего за несколько минут.

Ветровые электростанции являются переменными из-за естественной изменчивости ветра. Для ветряной электростанции коэффициент мощности определяется наличием ветра, рабочей площадью турбины и размером генератора . Мощность линий электропередачи и спрос на электроэнергию также влияют на коэффициент мощности. Типичные коэффициенты мощности существующих ветряных электростанций составляют от 25 до 45%. В Соединенном Королевстве в течение пятилетнего периода с 2011 по 2019 год годовой коэффициент мощности ветроэнергетики составлял более 30%.

Солнечная энергия непостоянна из-за суточного вращения Земли, сезонных изменений и облачности. Например, в муниципальном коммунальном округе Сакраменто в 2005 году коэффициент мощности составил 15%. Однако, согласно SolarPACES программе Международного энергетического агентства (МЭА), солнечные электростанции, предназначенные для выработки только солнечной энергии, хорошо приспособлены к пиковым нагрузкам в летний полдень в регионах со значительными потребностями в охлаждении, таких как Испания или юго-запад США. , хотя в некоторых местах солнечные фотоэлектрические системы не уменьшают необходимость в модернизации сети, поскольку пиковая нагрузка на кондиционеры часто приходится на конец дня или ранний вечер, когда солнечная энергия снижается. SolarPACES заявляет, что с помощью систем хранения тепловой энергии периоды работы солнечных тепловых электростанций (CSP) могут быть продлены, чтобы они стали управляемыми (в зависимости от нагрузки).

Геотермальная энергия имеет более высокий коэффициент мощности, чем многие другие источники энергии, и геотермальные ресурсы, как правило, доступны постоянно.

Коэффициенты мощности по источникам энергии

По всему миру

• Атомная энергетика 88,7% (в среднем по станциям США за 2006–2012 годы).
• Гидроэлектроэнергия, в среднем по миру 44%, диапазон от 10% до 99% в зависимости от наличия воды (с регулированием через водохранилище или без него).
• Ветровые электростанции 20-40%.
• Солнечная система CSP с хранилищем и резервным копированием природного газа в Испании 63%, Калифорния 33%.
• Фотоэлектрическая солнечная энергия в Германии 10%, Аризоне 19%, Массачусетс 13,35% (среднее значение за 8 лет по состоянию на июль 2018 г.).

Соединенные Штаты

По данным Управления энергетической информации США (EIA), с 2013 по 2017 год коэффициенты мощности энергетических генераторов были следующими:

Год
2013
2014
2015
2016
2017
2018

Неископаемое топливо								Уголь	Природный газ				Нефтяные жидкости
Ядерный	Конв. Гидро	Ветер	Солнечная фотоэлектрическая система	Солнечная CSP	Свалочный газ и ТБО	Другая биомасса включая Вуд	Геотермальный		СС	Коннектикут	СТ	ЛЕД	СТ	Коннектикут	ЛЕД
89.9%	38.9%	32.4%	ЧТО	ЧТО	68.9%	56.7%	73.6%	59.8%	48.2%	4.9%	10.6%	6.1%	12.1%	0.8%	2.2%
91.7%	37.3%	34.0%	25.9%	19.8%	68.9%	58.9%	74.0%	61.1%	48.3%	5.2%	10.4%	8.5%	12.5%	1.1%	1.4%
92.3%	35.8%	32.2%	25.8%	22.1%	68.7%	55.3%	74.3%	54.7%	55.9%	6.9%	11.5%	8.9%	13.3%	1.1%	2.2%
92.3%	38.2%	34.5%	25.1%	22.2%	69.7%	55.6%	73.9%	53.3%	55.5%	8.3%	12.4%	9.6%	11.5%	1.1%	2.6%
92.2%	43.1%	34.6%	25.7%	21.8%	68.0%	57.8%	74.0%	53.7%	51.3%	6.7%	10.5%	9.9%	13.5%	0.9%	2.3%
92.6%	42.8%	37.4%	26.1%	23.6%	73.3%	49.3%	77.3%	54.0%	57.6%	11.8%	13.7%	ЧТО	13.9%	2.5%	ЧТО

Однако эти значения часто существенно различаются в зависимости от месяца.

Великобритания

Следующие данные были собраны Министерством энергетики и изменения климата о коэффициентах мощности для различных типов электростанций в сети Великобритании:

Тип генератора	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021
Атомные электростанции	59.6%	49.4%	65.6%	59.3%	66.4%	70.8%	73.8%	66.6%	75.1%	80.1%	78.8%	72.9%	62.9%	59.8%	58.5%
Газотурбинные станции комбинированного цикла	64.7%	71.0%	64.2%	61.6%	47.8%	30.3%	27.9%	30.5%	32.1%	49.8%	45.5%	42.7%	43.0%	35.4%	38.9%
Угольные электростанции	46.7%	45.0%	38.5%	40.2%	40.8%	56.9%	58.1%	50.7%	44.0%	21.2%	17.3%	14.2%	7.8%	9.7%	12.7%
Гидроэлектростанции	38.2%	37.4%	36.7%	24.9%	39.0%	35.7%	31.6%	39.1%	41.0%	34.0%	36.3%	33.2%	36.1%	41.5%	33.1%
Энергия ветра	27.7%	27.5%	27.1%	23.7%	30.1%	29.4%	32.2%	30.1%	33.6%	27.8%	31.7%	31.5%	32.0%	35.6%	29.3%
Морская ветроэнергетика	25.6%	30.7%	25.9%	30.5%	37.0%	35.8%	39.1%	37.3%	41.5%	36.0%	38.9%	39.9%	40.4%	45.7%	37.4%
Фотоэлектрические электростанции	9.9%	9.6%	9.3%	7.3%	5.1%	11.2%	9.9%	11.1%	11.8%	11.0%	10.6%	11.2%	10.7%	10.9%	10.0%
Морские ( волновые и приливные электростанции)	0.4%	0.8%	4.8%	8.4%	3.8%	8.3%	9.6%	3.2%	2.6%	0.0%	3.0%	5.5%	7.5%	5.7%	2.8%
Биоэнергетические электростанции	52.7%	52.2%	56.5%	55.2%	44.1%	46.9%	56.8%	60.1%	67.4%	61.8%	61.5%	58.6%	55.4%	56.7%	56.6%

См. также

• Фактор спроса
• Прерывистый источник питания