Система утилизации энергии угля с помощью сверхпроводящей передачи электроэнергии
Изобретение относится к области электротехники, в частности к системе утилизации энергии угля, и содержит средство генерирования тепловой электроэнергии для преобразования энергии угля в угольном месторождении, находящемся в отдаленном от конечного потребителя месте, в электрическую энергию путем генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения, нагрузку переменного тока у конечного потребителя, сеть передачи/распределения переменного тока и средство передачи электроэнергии для передачи электрической энергии от средства генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения на сеть передачи/распределения. Средство передачи электроэнергии состоит из комбинации сверхпроводящей системы передачи электроэнергии постоянного тока с малыми потерями при передаче с использованием сверхпроводящего силового кабеля и обычной сети передачи/распределения с нормальной температурой. Техническим результатом изобретения является эффективное использование оборудования для накопления электроэнергии, содержащего сверхпроводящие силовые кабели или сверхпроводящие катушки и обычную сеть распределения, что делает возможным осуществить эффективную передачу электроэнергии на большие расстояния. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе утилизации энергии угля, включая энергию торфа, в частности к эффективной утилизации энергии угля, добытого в отдаленном холодном районе, точнее к эффективной системе утилизации энергии угля, с помощью которой уголь преобразуется в электрическую энергию в регионе его производства путем генерирования тепловой электроэнергии, а полученная при таком преобразовании электрическая энергия передается конечному потребителю с помощью комбинации сверхпроводящих электрических кабелей и обычной сети распределения электроэнергии.
Описание предшествующего уровня техники
Для генерирования тепловой электроэнергии используются ископаемые виды топлива, такие как нефть, природный газ и уголь. Нефть транспортируется гигантскими танкерами или по трубопроводам. Природный газ транспортируется судами для перевозки сжиженного природного газа (LNG ships) или по трубопроводам в виде сжиженного природного газа. Уголь транспортируется судами-рудовозами. Однако в отношении проблем транспортировки ископаемого топлива с баз добычи к базам экспортирования, погрузки ископаемого топлива на суда и его разгрузки с них и складирования ископаемого топлива на базах импортирования или электростанциях уголь имеет большой недостаток в плане состояния логистики по сравнению с нефтью и природным газом.
Хотя нефть и природный газ транспортируются по наземным трубопроводам, транспортировка угля вагонами сопряжена с проблемами большой массы и бесхозяйственности.
Вместе с тем, уголь составляет 30% энергоресурсов в мире и имеется в большем количестве, чем нефть. Поэтому развитие преобразования энергии угля до настоящего времени проходило по пути преобразования его в дешевое жидкое или газообразное топливо. Была исследована возможность использования в Японии жидкого или газообразного топлива, получаемого путем преобразования энергии в добывающих регионах.
Имеется множество примеров международного сотрудничества в области развития технологии использования энергии угля. В качестве примеров двухстороннего сотрудничества осуществляется сотрудничество между Японией и США и сотрудничество между Японией и Австралией. Хотя, помимо упомянутых выше примеров, такие угледобывающие страны, как Китай, Индонезия, Россия, Монголия и другие, сотрудничают друг с другом, никакой из этих случаев не реализовался на практике.
Поэтому эффективное использование угля, количество которого в месторождениях в несколько раз превышает количество нефти или природного газа, является задачей XXI века, хотя он и уступает нефти или природному газу среди ископаемых видов топлива по части логистики.
Кроме того, мировой объем торфа в месторождениях составляет от 500 миллиардов до одного триллиона. В частности, торф обладает низкой теплотворной способностью, дает мало серы и золы и эффективен в качестве источника энергии биомассы.
Между тем, что касается потребностей и снабжения электроэнергией, то пиковая нагрузка увеличивается ввиду резкого возрастания потребности в электричестве в результате неоднородного экономического роста различных регионов, поэтому удовлетворение этих потребностей в электроэнергии неодинаково по регионам.
В частности, что касается снабжения и потребностей, абсолютный объем потребления электричества, так же как и пиковая нагрузка, повысились, так что коэффициент "запаса прочности" по нагрузке из года в год понижается. Чтобы справиться с этим явлением, необходимость заставляет энергетические компании строить электростанции, имеющие столь большие мощности, которых будет достаточно для пиковой нагрузки. Чтобы соответствовать требованиям повышения мощности электрических силовых систем, необходимо строительство электростанций, линий электропередач и трансформаторных подстанций для поставки электроэнергии в соответствии с увеличивающейся нагрузкой. Однако вблизи крупных городов трудно получить земельные участки под строительство станций. Кроме того, является обычным случаем, когда гидроресурсы находятся далеко от больших мегаполисов. Между тем, участок, пригодный для использования под строительство электростанции, становится все более трудно получить по соображениям экологических проблем, что приводит к возникновению трудностей при строительстве новых электростанций.
Примером сотрудничества с участием многих стран является CIGRE Keyone Address (Париж, 28 августа, 1994 г.) (CIGRE Международный Совет по большим электрическим системам высокого напряжения). В литературе упоминается система совместной работы в средиземноморском регионе и система совместной работы в африканском регионе. Например, в случае системы совместной работы в африканском регионе описаны: (1) совместная работа по распределению пиковых нагрузок зимой и летом и (2) снижение ежедневного пикового потребления за счет 4-часовой разницы во времени между западом и востоком.
Для того чтобы решить проблему дисбаланса в удовлетворении потребностей регионов в электроэнергии, является чрезвычайно желательной реализация глобальной системы распределения энергии и электричества с учетом региональных различий. Потери мощности и разница в напряжении в различных странах представляют собой большие проблемы при транспортировке и распределении электроэнергии с использованием глобальной сети распределения электроэнергии.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является создание системы утилизации (использования) энергии угля, с помощью которой энергия угля, включая энергию торфа, с угольных шахт преобразуется в электрическую энергию посредством генерирования тепловой электроэнергии, эффективно используя оборудование для накопления электроэнергии, содержащее сверхпроводящие силовые кабели или сверхпроводящие катушки и обычную сеть распределения электроэнергии, что делает возможным эффективную передачу электроэнергии на большие расстояния.
Согласно настоящему изобретению, система утилизации энергии угля содержит средство генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения, которое преобразует энергию угля из этого угольного месторождения, находящегося в удаленном от конечного потребителя месте, в электрическую энергию путем генерирования тепловой электроэнергии; нагрузку переменного тока в месте расположения конечного потребителя; сеть распределения электроэнергии переменного тока; и средство передачи электроэнергии, которое передает электроэнергию от средства генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения к сети распределения электроэнергии через средство передачи электроэнергии, при этом средство передачи электроэнергии представляет собой комбинацию сверхпроводящей системы передачи электроэнергии, которая передает электричество постоянного тока с малыми потерями при передаче с использованием сверхпроводящих силовых кабелей, и обычной сети распределения электроэнергии с нормальной температурой, причем электрическая энергия передается конечному потребителю через сеть распределения электроэнергии переменного тока путем преобразования переменного тока в точке питания сети распределения электроэнергии, куда ток подается с помощью механизма преобразования переменного тока, предусмотренного на конечном соединении.
Кроме того, согласно настоящему изобретению, средство передачи электроэнергии может представлять собой обычную сеть распределения электроэнергии при нормальной температуре, на конечном соединении которой предусмотрено оборудование для накопления электрической энергии, содержащее сверхпроводящую катушку, и электроэнергия передается конечному потребителю через эту сеть распределения электроэнергии, посредством чего гасятся колебания мощности у конечного потребителя или на электростанции.
Настоящее изобретение относится к системе утилизации энергии угля из угольного бассейна в холодных отдаленных районах с плохим состоянием логистики (условиями организации и технологии перевозок, снабжения и материально-технического обеспечения), таких как Сибирь, соседние с Россией страны или страны Восточной Европы. Данная система задумана вместо обычной системы, в которой добытый в районе добычи уголь транспортируется к теплоэлектростанции конечного потребителя для выработки электричества. Согласно настоящему изобретению, в то время как энергия добытого в районе добычи угля преобразовывается на теплоэлектростанции, распложенной вблизи угольного месторождения, для передачи на существующую сеть распределения электроэнергии, между ними проложен сверхпроводящий силовой кабель, сам по себе выполняющий функцию накопления электричества, или же для передачи электричества на сеть распределения электроэнергии конечного потребителя предусмотрено оборудование для накопления электроэнергии, в состав которого входят сверхпроводящие катушки. Следовательно, колебания или отключение мощности могут быть погашены путем компенсации, поскольку силовой кабель выполняет функцию накопления электроэнергии даже в том случае, если имеет место колебание или отключение мощности у конечного потребителя или на электростанции.
Как показано, в частности, на Фиг.5(В), вместо поставки избыточной мощности конечному потребителю в период наличия избыточной энергии, например, весной или осенью, или в ночное время у конечного потребителя, мощность подается через делитель 91 потока на сверхпроводящие кабели 82, 83 в той части, где обычная сеть распределения электроэнергии не подсоединена. После принятия избыточной мощности создается замкнутая цепь путем замыкания обходных токовых цепей 92s и 94s для накопления (хранения) принятой мощности.
Когда подаваемое количество электроэнергии сокращается вследствие увеличения потребления в такое время, как летом или зимой, или в дневное время у конечного потребителя, накопленная электроэнергия подается на силовой кабель 81 через соединитель 93 путем размыкания обходной токовой цепи 94s для передачи на сеть распределения электроэнергии конечного потребителя.
Далее, как показано на Фиг.6, таким же является и случай предусматривания оборудования для накопления электроэнергии, содержащего сверхпроводящую катушку, на концевом соединении между линией питания электростанции (электрогенератора в случае повышающей давление станции) и обычной сетью распределения электроэнергии.
Когда между ними находится регион пролива или большая река и т.п., средство передачи электроэнергии предпочтительным образом снабжают релейными блоками, между которыми, предпочтительно, предусматривают сверхпроводящий силовой кабель, или, предпочтительно, предусматривают оборудование для накопления электроэнергии, содержащее сверхпроводящую катушку, на конечном соединении с обычной сетью распределения электроэнергии.
Далее, согласно настоящему изобретению, является предпочтительным, чтобы средство передачи электроэнергии представляло собой силовые кабели, проложенные вдоль трубопроводов природного газа, по маршруту которых с определенными интервалами установлены повышающие давление станции, так что отходящее от них тепло рекуперируется путем генерирования электроэнергии с помощью цикла Ранкина, а произведенная электроэнергия подается на силовые кабели через средство сверхпроводящей передачи электричества или через содержащее сверхпроводящие катушки оборудование для накопления электроэнергии на конечных соединениях.
Средство генерирования тепловой электроэнергии из угля, включая и торф, в районе добычи может быть построено между множеством систем или государств, имеющих тепловые электростанции. В этом случае, ввиду гашения колебаний нагрузки между электростанциями, электроэнергия предпочтительно подается на силовой кабель между электростанциями через оборудование для накопления электроэнергии, содержащее сверхпроводящую катушку, на конечном соединении.
Далее, если оборудование для накопления электроэнергии, содержащее сверхпроводящую катушку, находится на принимающей электричество стороне после понижения напряжения на трансформаторной подстанции, стоимость может быть снижена.
Средство подачи энергии охлаждения для поддержания состояния сверхпроводимости устанавливается вместе со средством передачи электроэнергии на оборудовании для накопления электроэнергии, содержащем средство для сверхпроводящей передачи электроэнергии или сверхпроводящую катушку, в которой применяется сверхпроводящий силовой кабель.
Конечное соединение сверхпроводящего силового кабеля и сети распределения электроэнергии конечного потребителя предпочтительно оборудуются реле мощности, содержащим средство преобразования токов для преобразования постоянного тока в переменный ток, и средством регулирования силовой нагрузки для регулирования соответствующего количества поставляемой электроэнергии на сеть распределения электроэнергии путем проверки состояния силовой нагрузки сети распределения электроэнергии конечного потребителя, расположенной выше по току (на входе) средства преобразования токов. Средство преобразования токов и средство регулирования силовой нагрузки предпочтительно представляют собой сверхпроводящие устройства с использованием средства подачи энергии охлаждения.
Далее, согласно настоящему изобретению, что касается средства подачи энергии охлаждения, то является предпочтительным, чтобы вдоль средства сверхпроводящей передачи электричества было предусмотрено средство охлаждения и чтобы для поддержания состояния сверхпроводимости сверхпроводящих устройств, включая сверхпроводящий кабель, подавалась энергия охлаждения.
Устройство подачи энергии охлаждения описывается в вышеупомянутом изобретении. Средство подачи энергии охлаждения предусмотрено в том районе, где находится средство преобразования токов со сверхпроводящим силовым кабелем, который формирует средство передачи электроэнергии и средство регулирования силовой нагрузки. Средство подачи энергии охлаждения охлаждает сверхпроводящий кабель и сверхпроводящее устройство. В случае наличия релейного блока в средстве передачи электроэнергии, оборудование для накопления электроэнергии, предпочтительно, устанавливается на релейном блоке.
Угольные месторождения в отдаленных районах или холодных районах находятся, как известно, в Сибири, включая Дальний Восток России, в СНГ, Восточной Европе и, кроме того, во внутренних районах Китая. Потребителями могут стать Япония, Корея, прибрежные районы Китая или насыщенные городами области России и развивающиеся страны Европы.
Угольные месторождения соседних с Россией стран (СНГ), удаленные от моря внутренние регионы Китая, Сибири, включая Дальний Восток, разбросаны по отдаленным неразвитым районам и имеют огромное количество залежей. Для того, чтобы передать электроэнергию, полученную вблизи угольных месторождений теплогенерирующими системами, содержащими построенные в этих районах группы тепловых электростанций, на системы силовой нагрузки переменного тока конечных потребителей в регионах мегаполисов с сетями распределения электроэнергии, таких как богатые городами области России, развитые страны Европы, богатые городами области в прибрежных районах Китая, богатые городами области Кореи или богатые городами области соседних с Россией стран, или на системы силовой нагрузки переменного тока конечных потребителей в регионах мегаполисов в японские сети распределения электроэнергии через Хоккайдо, электроэнергия должна передаваться на чрезвычайно большое расстояние. Поэтому, для того, чтобы подать электроэнергию в регион, в котором отсутствует существующая сеть распределения электроэнергии, или на сеть распределения электроэнергии между электростанциями или трубопроводами природного газа, колебание силовой нагрузки на стороне электростанции (включая генератор повышающей станции природного газа), на стороне конечного потребителя или в обычной сети распределения электроэнергии между государствами или через пролив, может быть соответствующим образом путем подачи электроэнергии с помощью средства сверхпроводящей передачи электроэнергии, выполняющего функцию накопления электроэнергии и обладающего низкими потерями мощности, или через оборудование для накопления электроэнергии, содержащее сверхпроводящие катушки, на конечное соединение обычной сетки распределения электроэнергии.
Далее, согласно настоящему изобретению, что касается системы подачи энергии охлаждения, предусмотренной на силовой линии питания или на конечном соединении или релейном пункте обычной сети распределения электроэнергии, то база обеспечения энергии охлаждения формируется на установочных площадках средства преобразования токов, на установочной площадке средства регулирования силовой нагрузки и на множестве релейных блоков, при этом база обеспечения энергии охлаждения снабжена низкотемпературным рефрижератором, производящим хладагент, который охлаждает сверхпроводящий кабель передачи постоянного тока и сверхпроводящее устройство, резервуаром-хранилищем хладагента, в котором хранится произведенный хладагент, и подающим насосом, установленным в резервуаре-хранилище.
Система подачи энергии охлаждения охлаждает средство преобразования токов, предусмотренное на конечных соединениях входа и выхода каждой системы передачи электроэнергии, которая является комбинацией средства сверхпроводящей передачи электричества и обычной сети распределения электроэнергии и которая проходит до конечного потребителя от тепловой электростанции, средство регулирования силовой нагрузки, предусмотренное на входе средства преобразования токов конечного соединения сети распределения электроэнергии конечным потребителям, и сверхпроводящие кабели для поддержания функции сверхпроводимости.
Система подачи энергии охлаждения снабжена резервуаром-хранилищем для хранения полученного хладагента и насосом для доставки хладагента к сверхпроводящему кабелю, средству преобразования токов и средству регулирования силовой нагрузки вдоль системы передачи электроэнергии.
Низкотемпературный рефрижератор в системе подачи энергии охлаждения может быть сконструирован таким образом, что холодильный цикл при рефрижераторе, работающем на диоксиде углерода в качестве холодильного агента, который отводится в качестве отработанного газа с тепловой электростанции, соединен с холодильным циклом жидкого азота или сверхнизкотемпературного рассола в виде каскадной структуры для того, чтобы доставлять сверхохлажденный хладагент к сверхпроводящему кабелю, средству преобразования токов или средству регулирования силовой нагрузки.
Следовательно, поскольку диоксид углерода и азот являются естественными хладагентами, окружающая среда не загрязняется, и, в дополнение к этому, возможно охлаждение для поддержания условий сверхпроводимости.
Поскольку система подачи энергии охлаждения предусмотрена вдоль систем передачи электроэнергии через холодные районы Сибири, Сахалина и Хоккайдо, это соответствует тому, что температура конденсации не является повышенной даже при холодильном цикле с хладагентом в виде диоксида углерода. Также для защиты окружающей среды предпочтительно, чтобы использовался газ, извлеченный из отработанных газообразных продуктов сгорания тепловых электростанций.
Далее, согласно вышеописанному изобретению, в случае, когда в качестве хладагента используется диоксид углерода, за счет физического тепла конденсации может быть сформирован горячо нагретый источник высокотемпературной воды.
Учитывая недавнюю разработку высокотемпературного сверхпроводящего материала, состояние сверхпроводимости может сохраняться в области температур жидкого азота. Следовательно, в случае такого высокотемпературного сверхпроводящего материала может использоваться рассол из области жидкого азота.
Далее, использование азотной кашицы, которая представляет собой смесь мелкодисперсных частиц твердого азота и жидкого азота, в качестве хладагента приводит к более эффективному использованию энергии охлаждения.
В результате использования азотной кашицы, которая представляет собой смесь мелкодисперсных частиц твердого азота и жидкого азота, хладагент является превосходным по способности к поглощению тепловой нагрузки, поэтому он эффективно охлаждает сверхпроводящие силовые кабели или сверхпроводящие устройства.
Упомянутая выше азотная кашица может быть получена путем всасывания и вдувания жидкого азота совместно с низкотемпературным охлаждающим газом, таким как гелий, и смешивания образовавшихся при вдувании мелкодисперсных частиц азота с жидким азотом.
Как было сказано ранее, система передачи электроэнергии и трубопроводы природного газа размещаются рядом друг с другом; и при этом электрическая энергия, которая производится путем приведения в действие паровой турбины, подсоединенной к электрогенератору, с использованием отходящей теплоты газовой турбины, может подаваться в систему передачи электроэнергии. Поскольку природный газ также производится в отдаленных внутренних районах Сибири, трубопровод природного газа протянут к каждому порту конечного потребителя. Поэтому потери электроэнергии на промежуточном пути обычной сети распределения электроэнергии или на больших расстояниях между внутренними регионами Сибири, Сахалином или Хоккайдо могут быть компенсированы (восполнены), если мощность, которая вырабатывается на каждой повышающей станции трубопровода, подается на обычную сеть распределения электроэнергии с помощью средства сверхпроводящей передачи электроэнергии, имеющего малые потери электроэнергии, для подачи по сети распределения электроэнергии трубопроводов природного газа или если электроэнергия, которая вырабатывается на каждой повышающей станции трубопровода, подается на конечное соединение обычной сети распределения электроэнергии через оборудование для накопления электроэнергии, содержащее сверхпроводящую катушку.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой диаграмму-модель, показывающую схематическую конструкцию системы подачи энергии угля путем сверхпроводящей передачи электричества согласно настоящему изобретению.
Фиг.2(А) представляет собой схематичную иллюстрацию системы подачи энергии охлаждения, установленной вдоль системы передачи электроэнергии, показанной на Фиг.1.
Фиг.2(В) также представляет собой схематичную иллюстрацию системы подачи тепла.
Фиг.3 представляет собой схематичную иллюстрацию базы подачи энергии охлаждения, показанной на Фиг.2.
Фиг.4 представляет собой схематичную иллюстрацию повышающей станции линии подачи природного газа, когда система передачи электроэнергии проходит вдоль трубопровода природного газа.
Фиг.4(А) представляет собой чертеж, показывающий случай, когда силовая линия повышающей станции соединена с обычной сетью распределения электроэнергии сверхпроводящим кабелем.
Фиг.4(В) представляет собой чертеж, показывающий случай, когда в упомянутом выше случае средство преобразования токов и оборудование для накопления электроэнергии установлены на конечном соединении.
Фиг.5(А) представляет собой чертеж, показывающий конструкции сверхпроводящего кабеля, применяемого для настоящего изобретения, и силового кабеля, способного накапливать электроэнергию.
Фиг.5(В) представляет собой чертеж, показывающий случай, когда электроэнергия накапливается в кабеле, изображенном на Фиг.5(А) (этот чертеж относится к уровню техники).
Фиг.6 представляет собой чертеж, показывающий случай, когда сверхпроводящее оборудование для накопления электроэнергии содержит средство преобразования токов и сверхпроводящую катушку в случае, когда линия электропередач от электростанции или повышающей станции подсоединяется к обычной сети распределения электроэнергии.
Фиг.6(А) изображает состояние в период зарядки или разрядки.
Фиг.6(В) изображает состояние в период накопления электроэнергии.
Описание предпочтительных вариантов воплощения
Настоящее изобретение сейчас будет подробно описано на примерах со ссылками на сопутствующие чертежи. Однако следует понимать, что приведенное здесь описание конкретных вариантов воплощения, таких как размеры, виды материалов, конфигурации и относительные расположения элементов и т.п., не предназначено для ограничения изобретения теми конкретными формами, которые раскрыты с целью предоставления примера, если не было особо указано иное.
Вначале, ссылаясь на Фиг.5, объясняется схематический чертеж сверхпроводящей системы передачи электроэнергии, используемой в настоящем изобретении.
Например, в отношении сверхпроводящей системы передачи электроэнергии, в выложенной публикации патента Японии № Р1993-308726 предложена сверхпроводящая технология передачи электроэнергии, способная поддерживать силовую систему стабильной путем накапливания избыточной электроэнергии и буферовки скачкообразного движения силовой нагрузки, при этом предпринята попытка уменьшить конструкционные, а также эксплуатационные затраты.
Как показано на Фиг.5(А), первый сверхпроводящий кабель 82 размещен параллельно силовому кабелю 81. Второй сверхпроводящий кабель 83 намотан в виде катушки таким образом, что кабель 83 содержит в себе силовой кабель 81 и сверхпроводящий кабель 82. Снаружи предусмотрен цилиндрический защитный кожух 84. Система 12 передачи электроэнергии включает в себя сконфигурированный таким образом кабель 16 передачи электроэнергии (см. Фиг.5(В)).
На периферийных внешних частях силового кабеля 81 и первого сверхпроводящего кабеля 82 предусмотрен электроизоляционный слой 85. Жидкий азот 87 заливается в защитный кабель 84 для того, чтобы охлаждать силовой кабель 81 и сверхпроводящие кабели 82 и 83.
Как показано на Фиг.5(В), система 12 передачи электроэнергии, которая включает в себя кабель 16 передачи электроэнергии, накапливает электроэнергию только посредством комбинирования силового кабеля 81, который передает электричество, со сверхпроводящими кабелями 82 и 83, которые накапливают электроэнергию.
Согласно вышеизложенному предложению, система 12 передачи электроэнергии состоит из кабеля 16 передачи электроэнергии, в котором силовой кабель 81, который передает электричество, объединен со сверхпроводящими кабелями 82, 83, которые накапливают электрическую энергию, тем самым принятая избыточная электроэнергия накапливается за счет подачи избыточного электричества на сверхпроводящие кабели 82 и 83 через делитель потока при работе преобразующего электроэнергию устройства 92 и путем формирования замкнутой цепи с замыкающим действием обходных токовых цепей 92s и 94s после принятия избыточной электроэнергии.
Когда количество электроэнергии снижается по сравнению с требуемым, то есть мощность падает, накопленная электрическая энергия подается на силовой кабель 81 через соединитель 93 путем размыкания обходной токовой цепи 94s преобразующего электроэнергию устройства 94.
Как описано выше, хотя существующая система передачи электроэнергии сохраняется настолько, насколько это возможно, к функции передачи электроэнергии добавляется функция накопления электроэнергии с тем, чтобы сделать возможной буферовку колебаний нагрузки и стабильную работу по передаче электроэнергии.
Другими словами, система 12 передачи электроэнергии согласно настоящему предложению, которая включает в себя кабель 16 передачи электроэнергии, является системой, в которой силовой кабель 81, передающий электрическую энергию, объединен со сверхпроводящими кабелями 82 и 83 с тем, чтобы сделать возможным накапливание электрической энергии только за счет наличия системы 12 передачи электроэнергии, содержащей сверхпроводящий кабель 16 передачи электроэнергии.
Точнее, поскольку сверхпроводящий кабель 3 образует соленоид бесконечной длины в системе 12 передачи электроэнергии, которая содержит кабель 16 передачи электроэнергии, самоиндукция L на единицу длины и накопленная энергия Е на единицу длины выражаются следующими уравнениями.
L = μπa2n2 = μAn2 [Гн/м] (1)
E = (1/2)LI2 [Дж/м] (2)
где μ - магнитная проницаемость, 4π·107 в случае вакуума, n - число витков на единицу длины катушки [витков/м], а - радиус центра катушки [м], I - электрический ток [A] и А - средняя площадь поперечного сечения катушки, na2 [м2] соответственно.
Следовательно, поскольку накопленная энергия Е пропорциональна току I в квадрате и средней площади А поперечного сечения катушки, то чем больше эти значения, тем больше электроэнергии может быть накоплено.
Другое сверхпроводящее оборудование 70 для накопления электроэнергии изображено на Фиг.6.
На Фиг.6: 44 - выпрямитель, который преобразовывает мощность переменного тока, подаваемую с силовой системы, в мощность постоянного тока; 41 - прерыватель постоянного тока, соединенный с землей; 42 - сверхпроводящая катушка и 43 - прерыватель постоянного тока, который шунтирует сверхпроводящие катушки. Как показано на Фиг.6(А), электроэнергия может "заряжаться" и "разряжаться" путем выдачи электричества, накопленного в сверхпроводящей катушке 42, на силовую систему 30 или путем накапливания избыточной электроэнергии на сверхпроводящей катушке 42, электрическое сопротивление которой становится нулевым посредством прерывания цепи прерывателем 41 постоянного тока или подключения прерывателя 43 постоянного тока к катушке 42, в результате чего появляется возможность подготовиться к колебаниям нагрузки силовой системы 30.
Как показано на Фиг.6(В), когда прерыватель 41 переменного тока разомкнут, электрическая энергия может накапливаться в сверхпроводящей катушке за счет непрерывного протекания электрического тока в сверхпроводящей катушке, сопротивление которой становится близким к нулю, через выпрямитель 44 от силовой системы 30.
На Фиг.1 система передачи электроэнергии сконструирована таким образом, что система передачи электроэнергии, содержащая сверхпроводящий кабель 16 передачи электроэнергии (в дальнейшем именуемая как сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии), который выполняет функцию накопления электроэнергии, как показано на Фиг.4, объединена с обычной сетью 30 распределения электроэнергии или линией 300 передачи электроэнергии, предусмотренной вдоль трубопровода природного газа. (Эта линия передачи электроэнергии может быть сверхпроводящей системой 12 передачи электроэнергии или обычной линией передачи электроэнергии), так что электрическая энергия может передаваться между системой 10 генерирования тепловой электроэнергии на стороне угольного месторождения, которая содержит теплоэлектростанцию 10а, расположенную в непосредственной близости от угольного (включая торфяное) месторождения во внутреннем районе Сибири, и нагрузочной системой 110 переменного тока на стороне конечного потребителя, содержащей нагрузки переменного тока, размещенные в области больших мегаполисов в Японии, которая принимает поставляемую электроэнергию.
До сегодняшнего времени угольная энергетика в холодных отдаленных районах, таких как внутренние районы Сибири, не могла развиваться из-за плохого состояния логистики в отдаленных холодных районах, хотя там имеются угольные месторождения, обладающие обильными залежами. Система 10 генерирования тепловой электроэнергии, имеющая теплоэлектростанцию 10а, строится для преобразования энергии угля в электроэнергию. Сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии или обычная нормально-температурная линия 300 передачи электроэнергии устанавливается на земле или под землей в качестве питающей линии для существующей сети 30 распределения электроэнергии.
Когда линия 300 передачи электроэнергии придана системе 10 генерирования тепловой электроэнергии и эта линия 300 передачи электроэнергии подключена к обычной сети 30 распределения электроэнергии, то в этом случае сверхпроводящее оборудование для накопления электроэнергии может быть установлено на конечном соединении, изображенном на Фиг.6(А).
Следовательно, электрическая энергия подается равномерно даже в тех случаях, если передача электроэнергии со стороны линии 300 передачи электроэнергии временно прекращается или имеет место колебание нагрузки.
Когда сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии постоянного тока придается системе 10 генерирования тепловой электроэнергии, и эта сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии постоянного тока соединена с обычной сетью 30 распределения электроэнергии, то необходимо лишь установить выпрямитель 13 на конечном соединении, поскольку сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии сама по себе выполняет функцию накопления электроэнергии.
Из-за высокой стоимости строительства сверхпроводящей системы 12 передачи электроэнергии, она не может быть построена на очень большом протяжении. Следовательно, используется обычная существующая сеть 30 распределения электроэнергии, или же предусматривается линия 300 передачи электроэнергии вдоль трубопровода 50 природного газа, который построен в районе Сибири и Сахалина.
Протяженность трубопровода природного газа в Сибири или на Сахалине составляет более 1000 километров, так что повышающие давление станции необходимо устанавливать каждые 20 км вдоль трубопровода.
Повышающий давление компрессор 41 мощностью в 100000 лошадиных сил приводится в действие газовой турбиной 43, отбирая природный газ в камеру сгорания 42 на повышающей давление станции 40. Однако выделяемое и отходящее от газовой турбины тепло не используется, а выбрасывается.
Тем не менее, если вдоль трубопровода 50 природного газа устанавливается линия 300 передачи электроэнергии, то на повышающей давление станции 40 электроэнергия может вырабатываться с помощью цикла Ранкина с использованием отходящего от газовой турбины тепла с тем, чтобы подавать эту электроэнергию на сеть 30 распределения электроэнергии.
В частности, если электрический ток протекает по обычной сети 30 распределения электроэнергии на большое расстояние, то потери мощности очень велики, что ведет к большим потерям электроэнергии. Однако, согласно настоящему изобретению, электроэнергия может передаваться без потерь, когда паровая турбина 46, подсоединенная к генератору 45, приводится в действие паром, полученным из отходящего от газовой турбины тепла паровым котлом 44, с тем, чтобы подавать электроэнергию в сеть 30 распределения электроэнергии, эффективно используя повышающие давление станции, установленные через каждые 20 километров протяженности трубопровода. В этом случае на выходе повышающего компрессора 41 может быть установлен генератор 45 электроэнергии, и генерируемая им электроэнергия может подаваться в сеть 30 распределения электроэнергии.
Как показано на Фиг.4(В), выпрямитель 13 и сверхпроводящее оборудование 70 для накопления электроэнергии могут быть установлены между сетью 30 распределения электроэнергии, размещенной вдоль трубопровода 50 природного газа, и конечным соединением линии 300А питания повышающей станции. Как показано на Фиг.4(А), линия питания сама может быть сверхпроводящей системой 12 передачи электроэнергии с тем, чтобы соединиться с обычной существующей сетью 30 распределения электроэнергии. В этом случае, поскольку сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии сама обладает функцией накопления электроэнергии, на конечном соединении может быть установлен только выпрямитель.
Таким образом, допустим, что тепловой кпд газовой турбины мощностью в 100000 лошадиных сил (75000 кВт) составляет 25-30%; когда электроэнергия вырабатывается с использованием 75-70% отходящего тепла с тепловым кпд в 20%, без потерь производится электроэнергия мощностью 75000 кВт·3·0,2 = 45000 кВт.
В частности, протяженность линии газопровода 50 от внутреннего района Сибири вблизи угольных месторождений, соединяющего Сибирь и Сахалин, составляет 3000 километров. Устанавливают 150 повышающих станций с получением 6750000 киловатт электроэнергии. Выработанная электроэнергия передается с использованием трубопроводной сети.
Кроме того, во избежание потерь электроэнергии при ее передаче может быть предпринята такая мера, как подача электроэнергии вплоть до сети 30 распределения электроэнергии путем объединения обычной линии 300 передачи электроэнергии со сверхпроводящей системой 12 передачи электроэнергии через выпрямитель 13.
Когда сеть 30 распределения электроэнергии, предусмотренная вдоль линии газопровода в России, или существующая обычная сеть 30 распределения электроэнергии подключена к сети распределения электроэнергии в Японии, подача электроэнергии уменьшается или приостанавливается из-за снега и т.п. при прохождении в таких отдаленных областях, как Сибирь или Сахалин.
Следовательно, релейная станция 31 на конечном соединении между Россией и Японией может быть снабжена выпрямителем 13 вместе со сверхпроводящим оборудованием 70 для накопления электроэнергии. Иначе говоря, сама линия питания в проливе выполнена как сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии постоянного тока с использованием выпрямителя 13 и соединена с сетями распределения электроэнергии в России и Японии. В этом случае, поскольку сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии сама наделена функцией накопления электроэнергии, необходимо, чтобы выпрямитель находился на релейной станции каждого конечного соединения между российской стороной и японской стороной.
На конечном соединении предпочтительным образом предусматривают средство 15 регулирования силовой нагрузки для "захвата" необходимого для конечного потребителя количества электроэнергии в случае, если сама линия питания в проливе выполнена как сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии постоянного тока.
Как показано Фиг.5, средство 15 регулирования силовой нагрузки на входе сверхпроводящей системы 12 передачи электроэнергии содержит устройство 92 преобразования электрической энергии, делитель 91 потока и обходные токовые (шунтирующие) цепи 92s и 94s; средство 15 регулирования силовой нагрузки на выходе содержит устройство 94 преобразования электроэнергии, обходную токовую (шунтирующую) цепь 94s и соединитель 93.
Другими словами, поскольку объем вырабатываемой энергии на стороне угольного месторождения не зависит от объема энергии, необходимого конечному потребителю, для регулирования баланса нагрузки обеих сторон неизбежна функция накопления электроэнергии. Если эта функция реализовывается на стороне угольного месторождения, то инвестиции в это угольное месторождение возрастают. Если эта функция реализовывается на стороне конечного потребителя, потери при передаче электроэнергии увеличиваются, для электроэнергии накопленной посредством сети распределения электроэнергии.
Следовательно, согласно настоящему изобретению, на каждом из входного и выходного концов сверхпроводящей системы 12 передачи, которая расположена под проливом, устанавливаются обходные токовые цепи 92s и 94s и используются для реализации функции средства 15 регулирования силовой нагрузки. Тем временем, сеть 30 распределения электроэнергии энергетической компании в каждом районе подключена к системе 11 силовой нагрузки переменного тока, находящейся в области больших городов, которая является конечным потребителем. Обычно в сети 30 распределения электроэнергии протекает переменный ток, так что любая сеть 30 распределения электроэнергии может подключаться независимо от состояния напряжения.
Следовательно, нет необходимости строить новые электростанции рядом с областью японских мегаполисов в районе, где необходимо обеспечить дополнительную мощность, такую как система 11 нагрузки переменного тока, так что это вносит вклад в защиту окружающей среды, и при этом могут быть снижены выбросы диоксида углерода. В частности, не будет необходимости в уплате штрафов за избыточные выбросы диоксида углерода с учетом права на выброс диоксида углерода в развитой стране.
Линия питания сама под проливом между континентом и Хоккайдо в Японии может представлять собой сверхпроводящую систему 12 передачи электроэнергии постоянного тока, конечное соединение (релейная станция 31) которой обеспечивается средством 15 регулирования силовой нагрузки для "захвата" необходимого конечному потребителю объема электроэнергии.
В настоящем варианте воплощения линии питания через границу с Россией и через Сангарский пролив представляют собой сверхпроводящие системы 12 передачи электроэнергии постоянного тока, релейная станция 31 на стороне конечного подключения которых снабжена средством 15 регулирования силовой нагрузки для "захватывания" необходимого конечному потребителю объема электроэнергии. Однако, с колебаниями электроэнергии можно справиться тогда, когда несколько линий питания между релейной станцией 31 как пунктом приема электроэнергии японской стороной и системой 11 нагрузки переменного тока в области городов снабжены сверхпроводящими системами 12 передачи электроэнергии, выполняющими функцию накопления электроэнергии, для подключения через выпрямитель 13 коммерческой системы передачи электроэнергии, содержащей сеть распределения электроэнергии переменного тока.
Далее, выпрямитель 13, изображенный на Фиг.4(В), и сверхпроводящее оборудование 70 для накопления энергии могут быть предусмотрены на выходе с трансформатора 301, или же сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии постоянного тока сама по себе предусматривается как линия питания, как показано на Фиг.4(А), для подключения к существующей сети 30 распределения электроэнергии. В этом случае, поскольку сверхпроводящая система 12 передачи электроэнергии сама способна выполнять функцию накопления электроэнергии, необходимо предусмотреть только выпрямитель 13. В этом случае можно справиться с колебаниями нагрузки в городской системе силовой нагрузки.
При наличии газового месторождения в России между тепловой станцией 10а вблизи угольных месторождений и релейной станцией 31 как пункта приема электроэнергии российской и японской сторон, линия передачи электроэнергии предусматривается вдоль трубопровода 50 природного газа. Как описано ранее, колебания мощности между странами устраняются с помощью установки сверхпроводящего кабеля 16 на международной границе между Россией и Японией.
Как описано выше, на релейной станции 31 между сверхпроводящей системой 12 передачи электроэнергии и сетью распределения электроэнергии избыточная электроэнергия накапливается в сверхпроводящем кабеле 16, а сокращенное электроснабжение переменного тока покрывается "разрядкой" электроэнергии переменного тока через выпрямитель 14b в соответствии с потребностями в электроэнергии у конечного потребителя в виде энергосистемы 11 переменного тока со средством 15 регулирования силовой нагрузки. Поскольку сверхпроводящий кабель 16, выпрямитель 14b и средство 15 регулирования силовой нагрузки должны поддерживаться в сверхпроводящем состоянии, вдоль системы 12 передачи электроэнергии устанавливается система 113 подачи энергии охлаждения, изображенная на Фиг.2, которая поставляет хладагент, содержащий чрезвычайно низкотемпературный рассол или жидкий азот.
Вышеназванный хладагент не ограничивается жидким азотом, и в качестве такого хладагента может использоваться азотная кашица, которая представляет собой смесь жидкого азота и мелкодисперсных частиц твердого азота. В результате азотная кашица привносит прекрасную способность к поглощению тепловой нагрузки, так что она может эффективно охлаждать высокотемпературные сверхпроводящие кабели передачи электроэнергии или сверхпроводящие устройства.
Вышеупомянутая азотная кашица получается путем смешивания жидкого азота с мелкодисперсными частицами твердого азота, которые образуются путем всасывания и вдувания жидкого азота вместе с таким низкотемпературным охлаждающим газом, как гелий.
Поскольку вышеуказанная система 113 подачи энергии охлаждения позволяет осуществлять доставку хладагента по всей зоне сверхпроводящей системы 12 передачи электроэнергии, как показано на Фиг.2(А), станции 13а подачи энергии охлаждения предусматриваются в различных точках, таких как выпрямители 14а, 14b или релейные станции 31а, 31b и 31с.
Далее, как показано на Фиг.3, вышеупомянутая станция 13а подачи энергии охлаждения содержит низкотемпературный рефрижератор 17, резервуар-хранилище 24 и насос 26 для подачи хладагента.
Низкотемпературный рефрижератор 17 включает в себя компрессор 20, конденсатор 22, расширительный клапан 23 и испаритель 21 для генерирования хладагента 24а. Генерируемый хладагент 24а накапливается в резервуаре-хранилище 24 и подается в сверхпроводящие устройства, такие как выпрямители 14а, 14b и средство 15 регулирования силовой нагрузки.
Как показано Фиг.2(В) и Фиг.3, система 18 подачи тепла предпочтительно устанавливается за счет предусматривания станции 18b подачи тепла, так что тепло конденсации, полученное в конденсаторе 22, подается в населенные пункты, находящиеся вокруг станции подачи энергии охлаждения, посредством насоса 18а.
Вышеупомянутый низкотемпературный рефрижератор способствует защите окружающей среды из-за диоксида углерода, вырабатываемого из отходящего газа тепловых электростанций и повышающих станций в системе 10 генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольных месторождений. Тепло конденсации диоксида углерода в конденсаторе используется в качестве тепла для станции 18 подачи тепла.
Хотя в качестве хладагента 24а используется чрезвычайно низкотемпературный рассол, состояние сверхпроводимости может поддерживаться с использованием жидкого азота в случае применения высокотемпературного сверхпроводящего материала оксидного типа.
Промышленная применимость
Промышленная применимость согласно настоящему изобретению заключается в следующем благодаря описанной выше конструкции.
А. Уголь, который уступает нефти и природному газу в отношении логистики, но превосходит их по количеству месторождений в несколько раз, преобразуется в электрическую энергию, которая имеет преимущество с точки зрения логистики, путем генерирования тепловой электроэнергии, что обеспечивает стабильное получение энергии угля.
В. Проблема утилизации энергии в обширном регионе и вопросы экологической защиты могут быть решены за счет теплового генерирования электроэнергии в местах добычи угля. Далее, выделенный диоксид углерода, который выбрасывается с тепловых электростанций, используется в качестве холодильного агента для низкотемпературного рефрижератора для охлаждения сверхпроводящего материала, что приводит в результате к значительному вкладу в защиту окружающей среды.
1. Система утилизации энергии угля, содержащая средство генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения, которое преобразует энергию угля из этого угольного месторождения, находящегося в удаленном от конечного потребителя месте, в электрическую энергию за счет генерирования тепловой электроэнергии; нагрузку переменного тока в месте расположения конечного потребителя; сеть распределения электроэнергии переменного тока; средство передачи электроэнергии, которое передает электроэнергию от средства генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения к сети распределения электроэнергии через средство передачи электроэнергии, при этом средство передачи электроэнергии представляет собой комбинацию сверхпроводящей системы передачи электроэнергии, которая передает электричество постоянного тока с малыми потерями при передаче с использованием сверхпроводящих силовых кабелей, и обычной сети распределения электроэнергии с нормальной температурой, причем электроэнергия передается конечному потребителю через сеть распределения электроэнергии переменного тока путем преобразования переменного тока в точке питания сети распределения электроэнергии, куда ток подается с помощью механизма преобразования переменного тока, предусмотренного на конечном соединении.
2. Система утилизации энергии угля, содержащая средство генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения, которое преобразует энергию угля из этого угольного месторождения, находящегося в удаленном от конечного потребителя месте, в электрическую энергию путем генерирования тепловой электроэнергии; нагрузку переменного тока в месте расположения конечного потребителя; сеть распределения электроэнергии переменного тока; средство передачи электроэнергии, которое передает электроэнергию от средства генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения к сети распределения электроэнергии с помощью средства передачи электроэнергии, при этом средство передачи электроэнергии представляет собой обычную сеть распределения электроэнергии при нормальной температуре, на конечном соединении которой предусмотрено оборудование для накопления электрической энергии, содержащее сверхпроводящую катушку, и электроэнергия передается конечному потребителю с помощью этой сети распределения электроэнергии, посредством чего гасятся колебания мощности у конечного потребителя или на электростанции.
3. Система утилизации энергии угля по п.1 или 2, в которой средство передачи электроэнергии представляет собой силовые кабели, проложенные вдоль трубопроводов природного газа, вдоль которых на заданных интервалах предусмотрены повышающие давление станции, причем отходящее с них тепло рекуперируется путем генерирования электроэнергии с помощью цикла Ранкина, а генерируемая электроэнергия подается на силовые кабели через средство сверхпроводящей передачи электричества или через содержащее сверхпроводящие катушки оборудование накопления электроэнергии на конечных соединениях.
4. Система утилизации энергии угля по п.1, в которой упомянутое средство сверхпроводящей передачи электричества содержит первое средство преобразования токов, которое преобразует переменный ток в постоянный ток, предусмотренное на входе средства передачи электроэнергии; второе средство преобразования токов, которое преобразует постоянный ток в переменный ток, предусмотренное на конечном соединении сети распределения электроэнергии конечным потребителям средства передачи электроэнергии; сверхпроводящий кабель для передачи постоянного тока, предусмотренный между ними; средство регулирования силовой нагрузки для регулирования соответствующего количества передаваемой электроэнергии совместно с сетью распределения электроэнергии конечным потребителям.
5. Система утилизации энергии угля по п.1, в которой вдоль средства сверхпроводящей передачи электричества предусмотрено средство охлаждения и для поддержания состояния сверхпроводимости сверхпроводящих устройств, включая сверхпроводящий кабель, подается энергия охлаждения.
6. Система утилизации энергии угля по п.4, в котором на установочных площадках первого и второго средств преобразования токов и на установочной площадке средства регулирования силовой нагрузки или оборудования для накопления электроэнергии, содержащего сверхпроводящие катушки, сформирована база обеспечения энергии охлаждения, снабженная низкотемпературным рефрижератором, производящим хладагент, который охлаждает сверхпроводящий кабель передачи постоянного тока и сверхпроводящее устройство, резервуаром-хранилищем хладагента, в котором хранится произведенный хладагент, и подающим насосом, установленным в резервуаре-хранилище.
7. Система утилизации энергии угля по п.6, в которой упомянутый низкотемпературный рефрижератор включает в себя рефрижератор, работающий на диоксиде углерода в качестве холодильного агента, при этом низкотемпературный рефрижератор образует станцию подачи тепла, которая подает тепло от его конденсатора.
8. Система утилизации энергии угля по п.6, в которой в качестве хладагента используется азотная кашица, содержащая смесь мелкодисперсных частиц твердого азота и жидкого азота, причем мелкодисперсные частицы твердого азота генерируются путем вдувания жидкого азота, всасываемого путем вдувания жидкого азота или очень холодного рассола или холодного газа, такого как гелий.
9. Система утилизации энергии угля по п.3, в которой упомянутое средство сверхпроводящей передачи электричества содержит первое средство преобразования токов, которое преобразует переменный ток в постоянный ток, предусмотренное на входе средства передачи электроэнергии; второе средство преобразования токов, которое преобразует постоянный ток в переменный ток, предусмотренное на конечном соединении сети распределения электроэнергии конечным потребителям средства передачи электроэнергии; сверхпроводящий кабель для передачи постоянного тока, предусмотренный между ними; средство регулирования силовой нагрузки для регулирования соответствующего количества передаваемой электроэнергии совместно с сетью распределения электроэнергии конечным потребителям.
10. Система утилизации энергии угля по п.3, в которой вдоль средства сверхпроводящей передачи электричества предусмотрено средство охлаждения и для поддержания состояния сверхпроводимости сверхпроводящих устройств, включая сверхпроводящий кабель, подается энергия охлаждения.
