Коэффициент мощности

Измерение электрической выработки

Ежемесячные коэффициенты мощности US EIA 2011-2013

Коэффициент чистой мощности — это безразмерное отношение фактической выработки электроэнергии за определенный период времени к теоретической максимальной выработке электроэнергии за этот период. ^[1] Теоретическая максимальная выработка электроэнергии данной установкой определяется как выработка, обусловленная ее непрерывной работой на полной паспортной мощности в течение соответствующего периода. Коэффициент мощности можно рассчитать для любой установки, производящей электроэнергию, например, для электростанции, потребляющей топливо , или для установки, использующей возобновляемую энергию , например, ветряные, солнечные или гидроэлектростанции. Средний коэффициент мощности также можно определить для любого класса таких установок и использовать для сравнения различных типов производства электроэнергии.

Фактическая выработка энергии в течение этого периода 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 обслуживания, планового или внепланового. Другие факторы включают конструкцию установки, ее местоположение, тип производства электроэнергии и, вместе с этим, либо используемое топливо, либо, для возобновляемой энергии, местные погодные условия. Кроме того, коэффициент мощности может зависеть от нормативных ограничений и рыночных сил , потенциально влияющих как на закупку топлива, так и на продажу электроэнергии.

Коэффициент мощности часто вычисляется в масштабе года, усредняя большинство временных колебаний. Однако его также можно вычислить в течение месяца, чтобы получить представление о сезонных колебаниях. В качестве альтернативы его можно вычислить в течение 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 .

Определение

${\displaystyle {\mbox{Capacity factor}}={\frac {{\mbox{Annual generation}}\ {\mbox{MW·h}}}{(365\ {\mbox{days}})\times (24\ {\mbox{hours/day}})\times ({\mbox{Nameplate capacity}}\ {\mbox{MW}})}}}$

Примеры расчетов

Атомная электростанция

Коэффициенты мощности ядерной энергетики во всем мире

Атомные электростанции находятся на верхнем конце диапазона коэффициентов мощности, в идеале уменьшенных только на коэффициент готовности , т.е. техническое обслуживание и дозаправку. Самая большая атомная станция в США, атомная электростанция Palo Verde, имеет между тремя реакторами паспортную мощность 3942 МВт. В 2010 году ее годовая генерация составила 31 200 000 МВт-ч, ^[2] что привело к коэффициенту мощности:

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

Каждый из трех реакторов Пало-Верде перезаряжается каждые 18 месяцев, с одной перезаправкой каждую весну и осень. В 2014 году перезаправка была завершена за рекордные 28 дней, ^[3] по сравнению с 35 днями простоя, которым соответствует коэффициент мощности 2010 года.

В 2019 году Prairie Island 1 был подразделением США с самым высоким коэффициентом и фактически достиг 104,4% ^{[4] .}

Ветряная электростанция

Датская оффшорная ветровая электростанция Horns Rev 2 имеет паспортную мощность 209,3 МВт. По состоянию на январь 2017 года ^{[обновлять]}она выработала 6416 ГВт·ч с момента ввода в эксплуатацию 7 лет назад, т.е. среднегодовая выработка составила 875 ГВт·ч/год, а коэффициент использования установленной мощности:

${\displaystyle {\frac {875,000\ {\mbox{MW·h}}}{(365\ {\mbox{days}})\times (24\ {\mbox{hours/day}})\times (209.3\ {\mbox{MW}})}}=0.477=47.7\%}$^[5]

Площадки с более низкими коэффициентами мощности могут считаться приемлемыми для ветровых электростанций, например, наземная Fosen Vind мощностью 1 ГВт , которая по состоянию на 2017 год ^{[обновлять]}находится в стадии строительства в Норвегии, имеет прогнозируемый коэффициент мощности 39%. Расчеты осуществимости могут зависеть от сезонности. Например, в Финляндии коэффициент мощности в холодные зимние месяцы более чем вдвое выше, чем в июле. ^[6] В то время как среднегодовой показатель в Финляндии составляет 29,5%, ^[6] высокий спрос на тепловую энергию коррелирует с более высоким коэффициентом мощности зимой.

Некоторые наземные ветровые электростанции могут достигать коэффициента использования установленной мощности более 60%, например, электростанция Eolo мощностью 44 МВт в Никарагуа имела чистую генерацию 232,132 ГВт-ч в 2015 году, что эквивалентно коэффициенту использования установленной мощности 60,2% ^[7], в то время как годовые коэффициенты использования установленной мощности в Соединенных Штатах с 2013 по 2016 год колеблются от 32,2% до 34,7% ^{[8] .}

Поскольку коэффициент мощности ветряной турбины измеряет фактическую выработку по отношению к возможной выработке, он не связан с коэффициентом Беца 16/27 = 59,3%, который ограничивает выработку по сравнению с энергией, доступной в ветре. ${\displaystyle \approx }$

Плотина гидроэлектростанции

По состоянию на 2017 год плотина Three Gorges в Китае с ее паспортной мощностью 22 500 МВт является крупнейшей электростанцией в мире по установленной мощности. В 2015 году она выработала 87 ТВт·ч, что соответствует коэффициенту мощности:^{[обновлять]}

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

Плотина Гувера имеет номинальную мощность 2080 МВт ^[9] и среднегодовую выработку 4,2 ТВт·ч. ^[9] (Годовая выработка колебалась от максимума в 10,348 ТВт·ч в 1984 году до минимума в 2,648 ТВт·ч в 1956 году ^[9] ). Взяв средний показатель для годовой выработки, получаем коэффициент мощности:

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

Фотоэлектрическая электростанция

В низком диапазоне коэффициентов мощности находится фотоэлектрическая электростанция , которая поставляет электроэнергию в электросеть от крупномасштабной фотоэлектрической системы (PV-системы). Неотъемлемым ограничением ее коэффициента мощности является ее потребность в дневном свете , желательно с солнцем, не заслоненным облаками, дымом или смогом , тенью от деревьев и строительных конструкций. Поскольку количество солнечного света меняется как в зависимости от времени суток, так и от сезона года, коэффициент мощности обычно вычисляется на ежегодной основе. Количество доступного солнечного света в основном определяется широтой установки и местной облачностью. Фактическое производство также зависит от местных факторов, таких как пыль и температура окружающей среды, которые в идеале должны быть низкими. Как и для любой электростанции, максимально возможное производство электроэнергии равно паспортной мощности, умноженной на количество часов в году, в то время как фактическое производство равно количеству электроэнергии, ежегодно поставляемой в сеть.

Например, Agua Caliente Solar Project , расположенный в Аризоне около 33-й параллели и награжденный за выдающиеся достижения в области возобновляемой энергии, имеет номинальную мощность 290 МВт и фактическую среднегодовую выработку 740 ГВт-ч/год. Таким образом, его коэффициент использования мощности составляет:

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

Значительно более низкий коэффициент мощности достигается энергетическим парком Lauingen , расположенным в Баварии , около 49-й параллели. При паспортной мощности 25,7 МВт и фактическом среднем годовом производстве 26,98 ГВт·ч/год коэффициент мощности составляет 12,0%.

Факторы, определяющие коэффициент использования установленной мощности установки

Существует несколько причин, по которым завод может иметь коэффициент использования мощности ниже 100%. К ним относятся технические ограничения, такие как доступность завода, экономические причины и доступность энергетических ресурсов.

Станция может быть выведена из эксплуатации или работать с пониженной производительностью в течение некоторого времени из-за отказов оборудования или планового обслуживания. Это составляет большую часть неиспользуемой мощности электростанций базовой нагрузки . Станции базовой нагрузки 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 как станции базовой нагрузки, поскольку их может быть трудно настроить в соответствии со спросом.

Электростанция также может быть урезана или намеренно простаивать, потому что электроэнергия не нужна или потому что цена на электроэнергию слишком низкая, чтобы сделать производство экономичным. Это составляет большую часть неиспользуемой мощности пиковых электростанций и электростанций, следующих за нагрузкой . Пиковые электростанции 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. Если электростанция нужна только в течение дня, например, даже если она работает на полную мощность с 8 утра до 8 вечера каждый день (12 часов) в течение всего года, ее коэффициент мощности составит всего 50%. Из-за низких коэффициентов мощности электроэнергия от пиковых электростанций относительно дорогая, потому что ограниченная генерация должна покрывать постоянные издержки станции.

Третья причина заключается в том, что у завода может не быть топлива, доступного для работы все время. Это может применяться к станциям, работающим на ископаемом топливе, с ограниченными поставками топлива, но в первую очередь это касается прерывистых возобновляемых ресурсов. ^[10] Солнечные фотоэлектрические установки и ветровые турбины имеют коэффициент мощности, ограниченный доступностью их «топлива», солнечного света и ветра соответственно. Гидроэлектростанция может иметь коэффициент мощности ниже 100% из-за ограничения или нехватки воды, или ее выход может регулироваться в соответствии с текущей потребностью в энергии, сохраняя ее запасенную воду для дальнейшего использования.

К другим причинам, по которым коэффициент использования установленной мощности электростанции может не составлять 100%, относятся ограничения по разрешениям на выбросы в атмосферу и ограничения по передаче электроэнергии, которые вынуждают электростанцию ​​сокращать выработку.

Коэффициент использования возобновляемой энергии

Ежемесячные коэффициенты мощности возобновляемых источников энергии, по данным 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. Электростанция может быть способна производить электроэнергию, но ее «топливо» ( ветер , солнечный свет или вода ) может быть недоступно. На производительность гидроэлектростанции также могут влиять требования по поддержанию уровня воды от слишком высокого или низкого уровня и обеспечению водой рыб ниже по течению. Однако солнечные, ветровые и гидроэлектростанции имеют высокие коэффициенты доступности , поэтому, когда у них есть топливо, они почти всегда способны производить электроэнергию. ^[11]

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

Ветряные электростанции изменчивы из-за естественной изменчивости ветра. Для ветряной электростанции коэффициент мощности определяется наличием ветра, площадью ометаемой турбины и размером генератора . Мощность линии электропередачи и спрос на электроэнергию также влияют на коэффициент мощности. Типичные коэффициенты мощности современных ветряных электростанций составляют от 25 до 45%. ^[12] В Соединенном Королевстве в течение пятилетнего периода с 2011 по 2019 год годовой коэффициент мощности для ветра составлял более 30%. ^{[13] [14] [15] [16]}

Солнечная энергия изменчива из-за суточного вращения Земли, сезонных изменений и облачности. Например, муниципальный коммунальный округ Сакраменто наблюдал 15%-ный коэффициент мощности в 2005 году. ^[17] Однако, согласно программе SolarPACES Международного энергетического агентства (МЭА), солнечные электростанции, предназначенные для генерации только солнечной энергии, хорошо подходят для пиковых нагрузок в летний полдень в регионах со значительными потребностями в охлаждении, таких как Испания или юго-запад США , ^[18] хотя в некоторых местах солнечные фотоэлектрические установки не снижают необходимость в модернизации сетей, учитывая, что пиковая нагрузка на кондиционеры часто приходится на конец дня или ранний вечер, когда солнечная выработка снижается. ^{[19] [20]} SolarPACES утверждает, что с помощью систем хранения тепловой энергии периоды работы солнечных тепловых электростанций (CSP) могут быть продлены, чтобы стать диспетчерскими (следящими за нагрузкой). ^[18]

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

Коэффициенты использования мощности по источникам энергии

Во всем мире

• Ядерная энергетика 88,7% (средний показатель 2006-2012 гг. по всем станциям США). ^[21]
• Гидроэлектроэнергия, в среднем по миру 44% ^[22], диапазон составляет 10% - 99% в зависимости от наличия воды (с регулированием или без него посредством водохранилища).
• Ветровые электростанции 21-52% (по состоянию на 2022 год). ^[23]
• CSP солнечная энергия с накопителем и резервным питанием от природного газа в Испании 63%, ^[24] Калифорния 33%. ^[25]
• Фотоэлектрическая солнечная энергия в Германии 10%, Аризоне 19%, ^{[26] [27] [28]} Массачусетсе 13,35% (средний показатель за 8 лет по состоянию на июль 2018 г.) ^[29]

Соединенные Штаты

По данным Управления энергетической информации США (EIA), с 2013 по 2017 год коэффициенты использования установленной мощности генераторов коммунального масштаба были следующими: ^[30]

Однако эти значения часто существенно различаются по месяцам.

Великобритания

Департамент энергетики и изменения климата собрал следующие данные по коэффициентам мощности для различных типов установок в энергосистеме Великобритании: ^{[31] [13] [32] [14] [33] [15] [34] [16] [ 35] [36]}

Смотрите также

• Фактор спроса
• Источник прерывистого питания

Ссылки

1. "Коэффициент мощности (нетто)". nrc.gov . Получено 2017-02-11 .
2. "Arizona Nuclear Profile 2010". eia.gov . Получено 2017-02-11 .
3. "Palo Verde Unit 2 признан лучшим генератором США в 2013 году". aps.com . 2014-03-10. Архивировано из оригинала 2015-04-20 . Получено 2017-02-11 .
4. База данных реакторов - Таблица коэффициентов максимальной загрузки в мире, ядерная энергетика, 2020-08-15
5. Эндрю (2017-01-26). "Коэффициенты мощности на датских оффшорных ветровых электростанциях". energynumbers.info . Архивировано из оригинала 2017-01-29 . Получено 2017-02-11 .
6. Huotari, Jussi (2020). "Эффективность и сезонность ветрогенерации" . Получено 11 декабря 2020 г.
7. "Национальный центр деспачо де груз" . Проверено 29 июля 2016 г.
8. "EIA - Данные по электроэнергии". www.eia.gov . Получено 10 апреля 2017 г.
9. "Плотина Гувера - Часто задаваемые вопросы и ответы". Бюро мелиорации США . Февраль 2009 г. Архивировано из оригинала 2010-03-23 . Получено 2010-08-07 .
10. "Коэффициенты мощности электрогенераторов сильно различаются по всему миру - Today in Energy - Управление энергетической информации США (EIA)". www.eia.gov . Получено 13 апреля 2017 г. .
11. Чем отличается выработка энергии ветряной турбиной от выработки электроэнергии? Архивировано 13 марта 2008 г. на Wayback Machine
12. Handleman, Clayton (2015-08-04). «Ветер может заменить уголь в качестве основного источника энергии в США, свидетельствуют новые данные NREL». cleantechnica.com . Получено 2017-02-11 .
13. "Сборник статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2012 год: глава 6 - Возобновляемые источники энергии" (PDF) . decc.gov.uk . Архивировано из оригинала (PDF) 30 октября 2012 года . Получено 20 марта 2018 года .
14. "Сборник статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2013 год: глава 6 - Возобновляемые источники энергии" (PDF) . www.gov.uk . Получено 20 марта 2018 г. .
15. "Сборник статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2014 год: глава 6 - Возобновляемые источники энергии" (PDF) . www.gov.uk . Получено 20 марта 2018 г. .
16. "Сборник статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2016 год: глава 6 - Возобновляемые источники энергии" (PDF) . www.gov.uk . Получено 20 марта 2018 г. .
17. Том Блис (2008). Рецепт для планеты . BookSurge. ISBN 978-1-4196-5582-1.
18. Томас Р. Манчини и Майкл Гейер (2006). Испания — пионеры в области подключенной к сети солнечной тепловой энергии на башне Архивировано 27 сентября 2018 г. в Wayback Machine SolarPACES, ОЭСР/МЭА, стр. 3.
19. Мюриэль Уотт Значение фотоэлектрических систем в летние пики Архивировано 17 февраля 2011 г., на Wayback Machine
20. Правительство Южной Австралии (2007), стр. 13,14 Механизм подачи электроэнергии в Южной Австралии для малогабаритных жилых солнечных фотоэлектрических установок. Архивировано 5 декабря 2010 г., на Wayback Machine.
21. "Факторы ядерной мощности США". Институт ядерной энергии . Получено 26 октября 2013 г.
22. Гидроэнергетика стр. 441
23. "Информационный листок по ветроэнергетике | Центр устойчивых систем". css.umich.edu . Получено 23 сентября 2024 г. .
24. "Torresol Energy Gemasolar Thermosolar Plant". Архивировано из оригинала 20.02.2014 . Получено 12.03.2014 .
25. "Солнечная электрическая генерирующая станция Ivanpah". Национальная лаборатория возобновляемой энергии . Архивировано из оригинала 2015-10-12 . Получено 2012-08-27 .
26. "Низкие коэффициенты мощности: проблемы перехода к низкоуглеродной энергетике - The Energy Collective". theenergycollective.com . 15 октября 2013 г. Получено 20 марта 2018 г.
27. Laumer, John (июнь 2008 г.). «Солнечная или ветровая энергия: какая из них имеет наиболее стабильную выходную мощность?». Treehugger . Архивировано из оригинала 20-10-2008 . Получено 16-10-2008 .
28. Рагнарссон, Ладислаус; Рыбах (2008-02-11). О. Хохмейер и Т. Триттин (ред.). Возможная роль и вклад геотермальной энергии в смягчение последствий изменения климата (PDF) . Обзорное совещание МГЭИК по возобновляемым источникам энергии. Любек, Германия. стр. 59–80. Архивировано из оригинала (PDF) 2011-07-22 . Получено 2009-04-06 .
29. Отчет SREC о коэффициенте мощности, https://www.masscec.com/data-and-reports
30. "Таблица 6.7.B. Коэффициенты мощности для генераторов коммунального масштаба, в первую очередь использующих ископаемое топливо" . Получено 21 августа 2018 г. ."Таблица 6.7.B. Коэффициенты мощности для генераторов коммунального масштаба, не использующих в основном ископаемое топливо" . Получено 21 августа 2018 г.
31. "Сводка статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2012 год: глава 5 - Электричество" (PDF) . decc.gov.uk . Архивировано из оригинала (PDF) 30 октября 2012 года . Получено 20 марта 2018 года .
32. "Сборник статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2013 год: Глава 5 - Электроэнергия" (PDF) . www.gov.uk . Получено 20 марта 2018 г. .
33. "Сводка статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2014 год: Глава 5 - Электроэнергия" (PDF) . www.gov.uk . Архивировано из оригинала (PDF) 31 мая 2015 года . Получено 20 марта 2018 года .
34. "Сборник статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2016 год: Глава 5 - Электроэнергия" (PDF) . www.gov.uk . Получено 20 марта 2018 г. .
35. "Свод статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2020 год: Глава 5 - Электроэнергия". www.gov.uk . Получено 21 октября 2020 г. .
36. "Сборник статистики энергетики Соединенного Королевства (DUKES) за 2020 год: глава 6 - Возобновляемые источники энергии". www.gov.uk . Получено 21 октября 2020 г. .