Реферат накопители электрической энергии

Обновлено: 04.07.2024

Для современной энергетики, как стационарной, так и автономной, важное значение приобретают интенсивные формы развития, выдвигающие повышенные требования к качественным показателям энергетических установок. В этом плане возрастает роль накопителей энергии, обеспечивающих решение целого ряда проблем накопления, хранения, преобразования энергии, реализацию оптимальных режимов работыоборудования, питание потребителей с нестандартными параметрами и т.п.
Накопители энергии находят все более широкое применение в электроэнергетических системах, автономных энергетических установках, транспортных системах, бортовом оборудовании, технологической аппаратуре, электрофизических стендах и т.п.
В общем виде накопителем энергии является устройство, позволяющее накапливать в себеэнергию какого-либо вида в течение периода заряда tз , а затем передавать существенную часть этой энергии нагрузке в течение периода разряда tр . Взаимосвязь параметров накопителя при заряде и разряде определяется законом сохранения энергии, выражаемым очевидными соотношением
Pз tз ᶯ =Pр tр
где Pз и Pр – средние значения мощностей зарядного и разрядного процессов; ᶯ - КПД накопителя.Существует несколько основных направлений использования накопителей.
Во-первых, их основная роль может сводиться к аккумулированию избыточной энергии при отключении значительной части потребителей и последующему использованию накопленной энергии в периоды интенсивного энергопотребления. При этом значения времени заряда и времени разряда имеют примерно одинаковый порядок, а показатели энергии при заряде иразряде достаточно близки. Примером такого накопителя является гидроаккумулирующая электростанция. В ночные часы избыточная энергия направляется в гидротурбинные агрегаты, работающие в обращенном режиме: генератор переходит в режим электродвигателя, вращающего турбину, которая выполняет роль насоса, подающего воду в верхний резервуар. Происходит накопление потенциальной энергии воды, поднятой нанеобходимую высоту. В дневные часы вода из верхнего резервуара естественным путем опускается в нижний резервуар, обеспечивая вращение турбоагрегатов в генераторном режиме для получения дополнительной электроэнергии.
Во-вторых, основным назначением накопителей может быть преобразование энергии различного вида. Так, например, энергоустановка космического летательного аппарата (КЛА) с топливнымиэлементами на стадии накопления энергии преобразует электрическую энергию от солнечных батарей в химическую за счет разложения рабочего вещества на соответствующие компоненты, а на стадии вывода энергии реакция взаимодействия этих же компонентов создает электрическую энергию.
В-третьих, накопители в соответствующих режимах обеспечивают преобразование необходимых показателей определенного вида энергии. Емкостнойнакопитель позволяет выводить в нагрузку токи, во много раз большие, чем при его заряде, а в индуктивном накопители за счет ЭДС самоиндукции при коммутации цепи можно получить напряжения, значительно превышающие напряжение источника питания. Накопители механической энергии допускают взаимное преобразование кинетической и потенциальной форм энергии и т.п. Накопители могут работать в режимеотносительно длительного хранения энергии.
Таким образом, накопители энергии образуют обширный класс устройств с широким спектром функциональных возможностей. Каждый из типов накопителей энергии имеет свои специфические особенности. Поэтому проблематика задач при изучении накопителей является весьма разнородной и не позволяет канонизировать методические аспекты описания накопителей различного типа.
Особоезначение для накопителей всех типов имеет согласование их характеристик с параметрами первичных источников энергии, нагрузочных элементов, коммутационной аппаратуры и т. п.
Все типы накопителей энергии имеют свои характерные энергетические показатели, режимы работы, особенности конструктивного и схемотехнического исполнения, определяющие рациональные.

Чтобы читать весь документ, зарегистрируйся.

Связанные рефераты

Рефератт накопитель энергии

. энергетику ДОКЛАД Тема: Накопители энергии.

Накопители

. …………………………………………………………………………3 3 Магнитные дисковые накопители.

презентация накопители

. 1 слайд 2 слайд Накопители энергии характеризуют следующие параметры: объем.

Энергия

. их эксплуатации - это чистые источники энергии. Источником энергии в.

10 Стр. 52 Просмотры

Энергия

В статье выделены и описаны проблемы, которые могут быть эффективно решены путём применения накопителей электрической энергии. Для этого проанализированы различные виды накопителей электрической энергии, описан их принцип работы и выделены достоинства и недостатки каждого из видов. В результате проведённого анализа предложен подход к выбору вида накопителя электрической энергии, оптимально соответствующего решаемой задаче. Он позволяет эффективно выбирать тип и характеристики накопителя электрической энергии под конкретную задачу.

Ключевые слова: накопители электрической энергии, маховик, суперконденсатор, СПИНЭ, аккумуляторная батарея.

STORAGE OF ELECTRIC ENERGY AS A MEANS F INCREASING RELIABILITY AND ECONOMY OF ELECTRIC NETWORK OPERATION

Savina N.V. 1 , Lisogurskaya L.N. 2, *, Lisogursky I.A. 3

1, 2, 3 FSBEI HE “Amur State University,” Blagoveshchensk, Russia

Abstract

The article identifies and describes the problems that can be effectively resolved through the use of electric energy storage devices. The paper analyses various types of electric energy storage devices, describes their principle of operation, and highlights the advantages and disadvantages of each type. As a result of the analysis, an approach to the choice of the type of electric energy storage device best for the problem under discussion is proposed. It allows effectively selecting the type and characteristics of the electrical energy storage for a specific task.

Keywords: electric energy storage, flywheel, super-capacitor, SPINE, rechargeable battery.

Введение

В настоящее время в мире активно исследуются вопросы применения накопителей электрической энергии (НЭ). Такой интерес связан с развитием технологий Smart Grid и переходом ЕЭС России на новую технологическую платформу Интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС) [6].

Важнейшая роль в концепции развития интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью отводится распределённой генерации (РГ) [3]. Системный эффект от применения распределенной генерации будет выше, если в совокупности с ней использовать накопители электрической энергии, что в итоге позволит увеличить надёжность электроснабжения, снизить потери электроэнергии в электрических сетях, сократить ущербы от системных аварий и перерывов электроснабжения потребителей [5].

Кроме того, накопители энергии играют важную роль в электроснабжении изолированных энергосистем, занимающих значительную часть территории России. Актуальной задачей является выбор вида НЭ, адекватно соответствующего решаемой задаче и позволяющего получить наибольший эффект от его применения.

Целью данной статьи является исследование возможности решения проблем, возникающих при функционировании электроэнергетических систем, путём применения накопителей электрической энергии.

Реализация цели базируется на решении следующих задач:

Выявление проблем, которые наиболее эффективно могут быть решены путём применения накопителей электрической энергии.
Анализ видов накопителей электрической энергии. Описание принципа действия и особенностей каждого из видов.
Выявление соответствия вида накопителя решаемой проблеме.

Применение накопителей электрической энергии как неотъемлемой части ИЭС ААС позволяет эффективно решать ряд проблем, таких как провалы и выбросы напряжения, неравномерность графиков электрических нагрузок (ГЭН), в том числе колебание нагрузки, отклонение частоты, низкая надёжность электроснабжения [9]. Рассмотрим эти проблемы подробнее.

Провал напряжения – это временное уменьшение напряжения в конкретной точке электрической системы ниже установленного порогового значения [2]. Провалы напряжения приводят к сбою в работе электронных средств управления, контроля и учёта, микропроцессорной релейной защиты, а также технологического оборудования, что влечёт за собой снижение надёжности и экономический ущерб.

Причинами провалов напряжения могут быть: пусковые токи при старте мощных электродвигателей и генераторов, короткие замыкания в электрической сети, внезапные набросы нагрузки, коммутации сетевого оборудования, климатические воздействия.

Выброс напряжения – динамическое кратковременное (не менее 0,01 с) отклонение напряжения с последующим возвращением к исходному значению.

В числе возможных последствий выбросов напряжения – мерцание освещения, износ контактов и изоляции, повреждения приборов. Причинами выбросов напряжения могут быть резкое изменение нагрузки, повреждения электрических сетей, процессы коммутации и др.

Неравномерность графиков нагрузки энергосистем обусловлена технологическими процессами промышленных предприятий, возрастанием бытовой нагрузки в утренние и вечерние часы и значительным спадом в дневное и ночное время. Неравномерность графиков нагрузок приводит к ряду негативных последствий, из которых наиболее выражены: снижение надежности электроснабжения, резкое повышение нагрузки на генерирующие установки, сокращение сроков эксплуатации оборудования и увеличение эксплуатационных расходов.

Отклонение значения основной частоты напряжения электропитания от номинального значения в пределах, установленных ГОСТ 32144-2013, возникает при дефиците генерируемой мощности или её избытке [2]. При возникновении недопустимых отклонений частоты страдают, прежде всего, электродвигатели. При снижении частоты происходит замедление ротора двигателя, что ведёт к снижению эффективности его работы, при увеличении частоты – к перегреву и повышенному износу из-за увеличения скорости вращения, что значительно снижает срок службы двигателей.

Указанные проблемы можно решать не только традиционными способами, но и с помощью накопителей электрической энергии, что позволит существенно повысить надежность и экономичность электроснабжения потребителей.

При внедрении генерирующих установок на базе ВИЭ в энергосистему происходит разгрузка основной и распределительных электрических сетей, что ведет к снижению потерь электроэнергии, повышению устойчивости и надежности системы, высвобождаются пропускные способности линий электропередачи [9]. Но вследствие нестационарного режима их работы, могут возникать проблемы регулирования и устойчивости электроэнергетических систем, невозможности управления режимом работы таких установок, можно ожидать увеличения токов короткого замыкания и снижения качества электрической энергии. Для решения указанных проблем также целесообразно применять накопители электрической энергии.

Для изолированных энергосистем характерны низкая плотность населения, высокая стоимость электроснабжения, недостаточность обеспечения топливными ресурсами, суровые климатические условия, высокая степень износа оборудования. Системы электроснабжения потребителей в изолированных энергосистемах обладают низкой степенью резервирования [11]. Накопители электрической энергии могут являться резервным автономным источником питания не только для потребителей I категории и ее особой группы, но и в целом заменить основной источник энергии на время выхода его из строя. Тем самым НЭ повышают надёжность, создают значительную экономию топлива, уменьшая себестоимость производства электроэнергии.

Несмотря на то, что рассмотренные выше проблемы можно эффективно решать при помощи НЭ, практика их применения в России практически отсутствует [12]. Это связано с тем, что отсутствуют методические подходы к выбору видов и параметров накопителей, оптимально соответствующих решаемой проблеме. Чтобы выявить это соответствие, необходимо провести анализ основных видов накопителей электрической энергии и их особенностей.

К основным видами накопителей электрической энергии, выпускаемых промышленностью, относятся: маховики; суперконденсаторы; сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИНЭ) и аккумуляторные батареи большой мощности [4].

Рассмотрим подробнее каждый из них.

Маховиковые НЭ. Принцип действия маховикового накопителя основан на преобразовании кинетической энергии в электрическую и обратно. Конструкция маховикового накопителя состоит из следующих элементов: привод (асинхронные машины, реактивные электрические машины или машины с постоянными магнитами на роторе); маховик (изготавливается из стали либо композитных материалов (стекловолокно, карбон)), помещённый в вакуумированный кожух; опорные подшипники (механические, магнитные или смешанные). Различают два типа маховиковых накопителей: высокоскоростные и низкоскоростные.

К основным преимуществам маховиковых накопителей относятся:

высокая надежность и эффективность;
большой срок эксплуатации (15-20 лет);
высокий КПД (90-95%);
быстрота и большое количество циклов “заряд-разряд” (от 10 000 до 100 000);
относительно низкая стоимость;
экологичность.

К недостаткам можно отнести относительно высокие постоянные потери [8].

Суперконденсаторы. Суперконденсаторы – это усовершенствованные конденсаторы, которые работают на постоянном напряжении, имеющие высокую плотность заряда, благодаря двойному электрическому слою на границе раздела электрода и электролита. Суперконденсаторы производят накопление энергии электростатическим способом, поляризуя раствор электролита. Большая емкость суперконденсаторов, доходящая до нескольких фарад, позволяет накапливать значительную энергию, которая отдаётся в нужный момент в виде больших токов. Суперконденсаторы относятся к накопителям короткого времени, они компактны, просты и имеют намного больший срок службы, чем у обычных конденсаторов [10].

К основным преимуществам суперконденсаторов относятся:

очень высокая плотность ёмкости;
большой срок эксплуатации;
высокий КПД (95% и выше);
высокая удельная энергия и удельная мощность;
бесперебойная эксплуатация;
высокая скорость заряда и разряда
низкая токсичность материалов.

К недостаткам можно отнести относительно низкую удельную энергоёмкость, высокий саморазряд, низкое напряжение ячейки, высокую стоимость [10].

Сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИНЭ). СПИНЭ запасают энергию магнитного поля, созданного током, циркулирующим в сверхпроводящей катушке. Запасённая энергия хранится длительное время и может практически мгновенно быть выдана в сеть по требованию. Основными компонентами СПИНЭ являются: катушка индуктивности со сверхпроводящей обмоткой; криостат – специальный термос для хранения холодных жидкостей, изолирующий обмотки находящейся внутри него катушки от притоков тепла извне; рефрижератор – для поддержания катушки обмотки в сверхпроводящем состоянии при температуре жидкого гелия; управляемый вентильный преобразователь – предназначен для связи с энергосистемой; бандаж, расположенный в зоне криогенных температур, из нержавеющей стали.

К основным преимуществам СПИНЭ относятся:

высокая плотность запасаемой энергии (до 400 МДж/см 3 );
постоянная готовность к работе со временем реакции 1-2 мс;
неограниченное время хранения энергии;
отсутствие преобразования одного вида энергии в другой;
высокий КПД (до 97%)
высокая надёжность.

К недостаткам относятся:

очень высокая стоимость;
опасность выброса жидкого азота и гелия в окружающую среду при аварийной потере сверхпроводимости [4].

Аккумуляторные батареи большой мощности. Аккумуляторная батарея (АБ) – это два или более аккумуляторов (элементов), соединенных между собой и используемых в качестве источника электрической энергии. В процессе заряда АБ электроэнергия электрохимическим путем преобразуется в химическую. При разряде накопленная энергия высвобождается в процессе обратной реакции. Наиболее распространёнными являются следующие виды батарей: свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные.

К основным преимуществам АБ относятся:

низкая стоимость свинцово-кислотных аккумуляторов;
высокая энергоемкость никель-кадмиевыех и литий-ионных аккумуляторов;
быстрый ввод в работу;
высокая надежность.

К недостаткам относятся:

Из анализа достоинств, недостатков и особенностей работы НЭ, можно сделать вывод о том, что необходимо определить оптимальную область применения для каждого из них и выявить их соответствие решаемым задачам.

Маховиковые накопители благодаря высокой эффективности, большому жизненному циклу и экологичности, являются оптимальным вариантом для применения в совокупности с возобновляемыми источниками энергии, такими как ветрогенераторы и солнечные батареи, повышая надёжность их работы [8].

Благодаря высокой скорости заряда и разряда, высокому КПД, большому сроку эксплуатации, суперконденсаторы целесообразно применять для ликвидации провалов и выбросов напряжения, а также поддержания частоты в энергосистемах, в том числе при коротких замыканиях.

СПИНЭ благодаря отсутствию в них преобразования одного вида энергии в другой, обладают быстрой реакцией и высокой выходной мощностью, а также очень высоким КПД. СПИНЭ оптимально использовать для управления графиков потребления, в том числе в сетях с резкопеременными нагрузками, и графиком выдачи мощности, повышая экономичность функционирования энергосистемы, а также для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей.

Аккумуляторные батареи, обладая быстрым вводом в работу, высокой надёжностью и низкой стоимостью целесообразно применять для обеспечения бесперебойного питания потребителей I категории и их особой группы, для повышения надежности электроснабжения.

Систематизируя изложенную информацию, можно выявить соответствие вида накопителя решаемой проблеме, обеспечивающее ее оптимальное решение.

Рис. 1 – Систематизация соответствия вида накопителя электрической энергии решаемой проблеме для получения наибольших эффектов

После выявления соответствия вида накопителя электрической энергии решаемой проблеме, обеспечивающего наибольший эффект, необходимо определять принципиальную схему включения НЭ в сеть, тип и характеристики НЭ, исходя из особенностей задачи.

При провалах и выбросах напряжения необходимо определить мощность помехи и по её величине выбрать необходимую мощность НЭ [9]. Наиболее эффективным видом НЭ для сокращения длительности и величины провалов и выбросов напряжения, согласно рис. 1, являются суперкондесаторы. Применение суперконденсаторов позволяет сокращать продолжительность провалов и выбросов более, чем на 50% , а величину провалов и выбросов – до 10%. Место предпочтительного включения суперконденсаторов – клеммы приводов высоковольтных выключателей или вторичные сборки распределения электроэнергии между приводами. На рисунке 2 показан график напряжения с кратковременным провалом и выбросом напряжения до применения накопителя и с его применением [7].

Рис. 2 – Выброс и провал напряжения

Для сглаживания неравномерности ГЭН, НЭ должен мгновенно отдавать накопленную мощность во время пиковых нагрузок, а в периоды, когда нагрузка снижается – накапливать и хранить энергию. На рисунке 3 показан график электрических нагрузок без применения накопителей энергии и с их применением.

Применение НЭ для регулирования частоты в энергосистемах, снижает потребность во вращающемся резерве. При возрастании нагрузки свыше заявленной, могут происходить отклонения частоты за рамки установленного ГОСТ 32144-2013 значения. В этом случае начинает происходить регулирование частоты накопителями энергии, способными быстрее и точнее реагировать на команды системного оператора, чем традиционные генерирующие мощности. Мощность и энергоёмкость накопителя должна быть выбрана достаточной для поддержания выдачи мощности на время отклонения частоты.

Рис. 3 – График электрических нагрузок

Принципиальная схема использования накопителей энергии для бесперебойного электроснабжения потребителей приведена на рисунке 4. Для каждого конкретного случая мощность накопителя электрической мощность определяется как разность между номинальной мощностью источников генерации и мощностью, необходимой потребителям во время отключения основного (ых) источника (ов) энергии. Если мощности НЭ будет достаточно, то он может обеспечить питанием всех потребителей. Если мощности будет недостаточно, АЧР отключит III категорию, при необходимости II категорию, и накопитель энергии будет обеспечивать питанием потребителей I категории и её особой группы.

Рис. 4 – Схема подключения накопителя электрической энергии

При использовании НЭ совместно с ВИЭ, установленная мощность накопителя энергии должна быть рассчитана как разница между установленной мощностью, генерируемой ВИЭ и минимальной мощностью нагрузки [9]. НЭ заряжаются во время наличия избыточной мощности, вырабатываемой источниками питания, и отдают энергию во время недостаточной мощности. Схема подключения накопителей показана на рисунке 5.

Рис. 5 – Подключение накопителей электроэнергии к системе электроснабжения на базе ВИЭ

Заключение

В статье выявлены проблемы, которые могут эффективно решаться путём применения накопителей электрической энергии, и дана их характеристика. Проведённый анализ принципа действия и особенностей каждого из видов накопителей позволил систематизировать соответствие вида накопителя решаемой проблеме, обеспечивающее наибольший эффект от ее решения.

Список литературы / References

Список литературы на английском языке / References in English

Современные устройства накопления энергии, самые распространенные типы накопителей энергии

Устройства накопления энергии - это системы, которые хранят энергию в различных формах, таких как электрохимическая, кинетическая, потенциальная, электромагнитная, химическая и тепловая, с использованием, например, топливных элементов, аккумуляторов, конденсаторов, маховиков, сжатого воздуха, гидроаккумуляторов, супермагнитов, водорода и т. д.

Устройства накопления энергии - это важный ресурс, который часто используется для обеспечения бесперебойного электроснабжения либо в качестве поддержки энергосистемы в периоды очень краткосрочной нестабильности. Они также играют важную роль в автономных системах возобновляемой энергии.

Основными критериями устройств накопления энергии, необходимыми для конкретного применения являются:

количество энергии с точки зрения удельной энергии (в Вт · ч · кг -1 ) и плотности энергии (в Вт · ч · кг -1 или Вт · ч · л -1 ) ;
электрическая мощность, т.е. требуемая электрическая нагрузка ;
объем и масса ;
надежность ;
долговечность ;
безопасность ;
стоимость ;
возможность вторичной переработки ;
воздействие на окружающую среду.

При выборе устройств накопления энергии следует учитывать следующие характеристики:

удельная мощность ;
емкость накопителя ;
удельная энергия ;
время отклика ;
эффективность ;
скорость саморазряда / циклы зарядки ;
чувствительность к теплу ;
срок службы заряда-разряда ;
воздействие на окружающую среду ;
капитальные / эксплуатационные расходы ;
обслуживание.

Электрические устройства хранения энергиии являются неотъемлемой частью телекоммуникационных устройств (сотовые телефоны, дистанционная связь, рации и т. д.), резервных систем питания и гибридных электромобилей в виде компонентов хранения (батарей, суперконденсаторов и топливных элементов).

Устройства для хранения энергии, электрические или тепловые, признаны основными технологиями экологически чистой энергии.

Долговременное хранение энергии имеет большой потенциал для мира, в котором энергия ветра и солнца преобладает над добавлением новых электростанций и постепенно вытесняет другие источники электроэнергии.

Ветер и солнце производят только в определенное время, поэтому им нужна дополнительная технология, которая поможет заполнить пробелы.

В мире, где доля периодического, сезонного и непредсказуемого производства электроэнергии растет и увеличивается риск десинхронизации с потреблением, хранение делает систему более гибкой, поглощая любые разности фаз между производством и потреблением энергии.

Накопители служат главным образом в качестве буфера и позволяют упростить управление и интеграцию возобновляемых источников энергии как в сети, так и в зданиях, предлагая определенную автономию при отсутствии ветра и солнца.

В системах с генераторами они могут сэкономить топливо и помочь избежать неэффективной работы генератора, обслуживая нагрузку в периоды низкой потребности в электроэнергии, когда генератор наименее эффективен.

За счет буферизации колебаний выходной мощности возобновляемых источников накопление энергии также может снизить частоту запусков генератора.

В ветро и дизельных системах с высокой проникающей способностью (где установленная ветровая мощность превышает среднюю нагрузку) даже очень небольшой объем накопителя резко снижает частоту запусков дизельного топлива.

Самые распространенные виды промышленных устройств хранения электроэнергии:

Электрохимические устройства накопления энергии

Батареи, в особенности свинцово-кислотные, остаются преобладающим устройством хранения энергии.

Многие конкурирующие типы батарей (никель-кадмиевые, никель-металлогидридные, литий-ионные, натриево-серные, металл-воздушные, проточные батареи) превосходят свинцово-кислотные батареи по одному или нескольким аспектам производительности, таким как срок службы, эффективность, плотность энергии, скорость заряда и разряда, характеристики в холодную погоду или необходимый объем технического обслуживания.

Однако в большинстве случаев их низкая стоимость киловатт-часа емкости делает свинцово-кислотные батареи оптимальным выбором.

Альтернативы, такие как маховики, ультраконденсаторы или водородные накопители могут стать коммерчески успешными в будущем, но в настоящее время встречаются редко.

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы в настоящее время представляют собой современный источник питания для всех современных бытовых электронных устройств. Объемная плотность энергии призматических литий-ионных батарей для портативной электроники увеличилась в два-три раза за последние 15 лет.

По мере появления нескольких новых приложений для литий-ионных аккумуляторов, таких как электромобили и системы накопления энергии, требования к конструкции и характеристикам элементов постоянно меняются и представляют собой уникальные проблемы для традиционных производителей аккумуляторов.

Таким образом, становится неизбежным высокий спрос на безопасную и надежную работу литий-ионных аккумуляторов с высокой энергией и высокой удельной мощностью.

Применение электрохимических устройств накопления энергии в энергетике:

Электрохимические суперконденсаторы

Суперконденсаторы - это электрохимические накопители энергии, которые можно полностью зарядить или разрядить за секунды.

Благодаря более высокой удельной мощности, низкой стоимости обслуживания, широкому диапазону температур и более продолжительному циклу эксплуатации по сравнению с вторичными батареями, суперконденсаторы привлекли значительное внимание исследователей за последнее десятилетие.

Они также обладают более высокой плотностью энергии по сравнению с обычными электрическими диэлектрическими конденсаторами. Накопительная емкость суперконденсатора зависит от электростатического разделения между ионами электролита и электродами с большой площадью поверхности.

Однако более низкая удельная энергия суперконденсаторов по сравнению с литий-ионными батареями является препятствием для их широкого применения.

Улучшение характеристик суперконденсаторов необходимо для удовлетворения потребностей будущих систем, от портативной электроники до электромобилей и крупного промышленного оборудования.

Хранение энергии сжатым воздухом

Накопитель энергии сжатым воздухом - это способ хранения энергии, произведенной в один момент, для использования в другое время. В масштабе коммунального предприятия энергия, вырабатываемая в периоды низкого спроса на энергию (внепиковый период), может быть высвобождена для удовлетворения периодов повышенного спроса (пиковой нагрузки).

Изотермический накопитель энергии сжатым воздухом (CAES) - это новая технология, которая пытается преодолеть некоторые ограничения традиционных (диабатических или адиабатических) систем.

Криогенные накопители энергии

В Великобритании планируется построить хранилище энергии сжиженного воздуха мощностью 250 МВтч. Оно будет объединен с парком возобновляемых источников энергии и компенсирует их перебои.

Ввод в эксплуатацию запланирован на 2022 год. Криогенные накопители энергии будут работать совместно с парком Trafford Energy возле Манчестера, где часть производства электроэнергии обеспечивается фотоэлектрическими панелями и ветряными турбинами.

Это хранилище позволит компенсировать перебои в использовании этих возобновляемых источников энергии.

Принцип работы этой установки будет основан на двух циклах изменения состояния воздуха.

Электрическая энергия будет использоваться для забора воздуха и последующего охлаждения его до очень низких температур (-196 градусов), пока он не станет жидким. Затем онбудет затем храниться в больших изотермических резервуарах при низком давлении, специально приспособленных для этого использования.

Второй цикл состоится, когда возникнет потребность в электрической энергии. Криогеную жидкость нагревают с помощью теплообменника, чтобы продолжить испарение и вернуть его в газообразное состояние.

Испарение криогенной жидкости вызывает расширение объема газа, который вращает турбины, вырабатывающие электрическую энергию.

Кинетические устройства накопления энергии

Маховик - это вращающееся механическое устройство, которое используется для хранения энергии вращения. Маховик может улавливать энергию от прерывистых источников энергии с течением времени и обеспечивать непрерывную подачу электрической энергии в сеть.

Системы накопления энергии с маховиком используют входную электрическую энергию, которая сохраняется в виде кинетической энергии.

Хотя физика механических систем часто довольно проста (например, вращение маховика или подъем тяжестей в гору), технологии, которые позволяют эффективно и действенно использовать эти силы, особенно продвинуты.

Высокотехнологичные материалы, новейшие компьютерные системы управления и инновационный дизайн делают эти системы пригодными для использования в реальных приложениях.

Коммерческие системы ИБП с кинетическими накопителями состоят из трех подсистем:

устройства накопления энергии, обычно это маховик;
распределительного устройства;
отдельного генератора, который может быть запущен, чтобы обеспечить отказоустойчивость питания сверх емкости накопителя энергии.

Маховик может быть интегрирован с резервным генератором, что повышает надежность за счет прямого соединения механических систем.

Подробнее про эти устройства:

Высокотемпературный сверхпроводящий магнитный накопитель энергии (SMES) для электросетей:

Накопитель энергии – устройство, с которым большинство из людей постоянно сталкивается в быту. Всем знаком аккумулятор мобильного телефона, автомобиля, пальчиковые батарейки, которые не предусматривают повторной зарядки. Однако понятие энергетического накопления гораздо шире представлений среднестатистического индивидуума. Есть множество теорий, футуристических проектов и изысканий. Но интересно посмотреть, что реально может накапливать энергию и уже используется в самых разных областях деятельности человека.

Потенциальная энергия

Самый неочевидный накопитель собирает показатель потенциала, поднятого на высоту тела. Это устройство знакомо многим. Часы-ходики с массивными грузиками используют именно физический потенциал. Пока одна из гирь опускается, механизм работает. Для накопления запаса энергии требуется завести часы – переместить грузы определенным способом. Другие аккумуляторы потенциала работают не таким очевидным способом.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция – самый большой энергетический накопитель потенциального типа. Работает это следующим образом:

главная часть гидроэлектрической станции – огромная плотина. Она замыкает большую территорию, создавая водохранилище, которое наполняется рекой или другим источником воды;
в основании железобетонной стены станции находится основное инженерное решение для производства электричества. Падающая с большой высоты вода преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую;
при воздействии потока воды на лопатки турбины кинетика преобразуется в электричество.

Гидроэлектростанции классического типа, а точнее, их водохранилища – накопители энергии потенциального типа. Этот источник относится к возобновляемому. Поток воды постоянно пополняет искусственное озеро, при этом предусмотрены методики отвода жидкости в период, когда объем водохранилища на максимуме, а потребности в производстве электричества нет.

Энергетические накопители потенциального типа несколько другого принципа действия используются в аккумулирующих резервуарах гидроэлектростанций. Такой тип инженерных решений относится к вспомогательному и применяется в совокупности с другим источником. Часто – в солнечных электростанциях, построенных в местностях с мягким климатом. Работает все следующим образом:

Станции, которые используют накопители энергии воды, становятся все более популярными. К достоинствам такого решения относится способность не только полностью использовать мощности основного производителя, но и гарантировать круглосуточный режим отдачи электричества в общую сеть.

Существуют и решения, оперирующие твердым грузом. К ним относятся системы, построенные на простой идее:

во время работы солнечных батарей или ветрогенераторов излишек их мощности направляется на двигатели, которые перемещают вагоны по рельсовому пути вверх, по наклонной поверхности;
в то время, когда солнца или ветра нет, тележки двигаются вниз, на их осях расположены генераторы, производящие электричество.

Достоинств у механического решения предостаточно. Здесь малые требования к мощности двигателей, используемых для подъема груза. Для перекачки воды нужно несравненно большие величины как токов, так и давления.

Накопители потенциальной энергии имеют одно неоспоримое достоинство: запасенное можно хранить практически без потерь крайне долго. Потери воды в огромном резервуаре из-за испарения почти незаметны, а если идет речь о поднятии груза, его легко зафиксировать механически в верхней точке.

Недостаток сбора потенциальной энергии также очевиден. Чтобы получить промышленные объемы использования или долговременную работу устройства в быту, нужно или оперировать огромными массами, так сказать, энергоносителя, или гарантировать низкое потребление преобразованной энергии.

Накопители тепловой энергии

Тепловые накопители – распространенные устройства. Самый знакомый рядовому потребителю – электрический нагревательный котел. Он накапливает тепло, которое затем используется для бытовых нужд, отопления.

Менее понятный класс – тепловые накопители энергии, выполняющие роль стабилизаторов. К ним относятся:

водонагреватели, построенные на вторичной схеме передачи тепла;
расширительные емкости солнечных коллекторов, которые не допускают перегрева теплоносителя и стабилизируют режим работы батареи;
теплоаккумулятор может строиться на принципе фазового перехода. Расплав нагревается до высокой температуры, при этом теплоноситель переходит из твердого состояния в жидкое.

Проблем у накопителей тепловой энергии достаточно много. К примеру:

энергию нужно использовать быстро. С течением времени содержимое накопителя просто теряет энергию, отдавая ее в окружающую среду;
построенные на фазовом переходе накопители сложны в эксплуатации. Здесь наблюдается изменение объема: если жидкость переводят в пар, приходится бороться с огромным давлением.

Современные системы тепловой защиты позволяют долго сохранять характеристики накопителя тепловой энергии. Но здесь играет роль баланса стоимости защиты и целевого использования энергии. Поэтому накопители тепла идеальны в роли компенсаторов. В это же время их эффективность в качестве мощного источника энергии со стабильными показателями отдачи весьма спорна.

Аккумуляторы энергии сжатого газа

Пневматический инструмент, газопоршневые генераторы, небольшие кары – вот краткий список устройств, которые используют энергию сжатого газа. Устройство накопителя энергии знакомо практически всем. Это надежная, прочная колба из стали, в которую под огромным давлением закачивается газ.

Уровень выхода энергии накопителя сжатого газа нестабилен. Он велик, пока давление внутри баллона близко к максимуму. И снижается по мере расходования газа. Для стабилизации выхода используются редукторы. Они обеспечивают постоянное давление на выходе, что не только создает оптимальные условия работы потребителя, но и продлевает срок эффективного расходования запаса газа.

Накопители энергии сжатого газа применяются и в роли компенсаторов. Стабилизация работы компрессора производится при помощи расширительной емкости. В нее закачивается газ основным двигателем, поддерживается конкретное давление. При использовании энергии пневмоинструментом, компрессор может включаться периодически, поддерживая стабильное состояние системы. Основная мощность поступает именно из накопителя, расширительного баллона, совмещенного с редуктором.

Главное достоинство аккумулятора сжатого газа – простота манипулирования. Соблюдается некий термический баланс, когда в режиме компенсатора выделенное тепло при сжатии газа соответствует количеству энергии при расширении рабочего тела. К другому плюсу относится надежность инженерного решения. Прочность баллона такова, что он может заправляться неоднократно, служить на протяжении десятков лет. Третий плюс – при наличии надежной перекрывающей арматуры или запайки емкости, газ может сохранять свои параметры и энергетику очень долго.

Накопители электрической энергии

Аккумуляцию электроэнергии можно проводить разными способами. Сегодня к самым распространенным и широко используемым средствам относятся конденсатор, ионистор, химические преобразователи, накопители заряда активных частиц.

Конденсатор

Данный класс аккумулятора электрической энергии – знакомое всем устройство, конструкцию, так называемой, лейденской банки проходят еще в школьном курсе физики. Заряд накапливается на двух пластинах. Современные конденсаторы имеют прокладку, изготовленную из полимера с высокими показателями пробоя. Это позволяет:

накапливать большое количество энергии;
работать большими значениями напряжения;
гарантировать безопасность использования;
обеспечить малые размеры накопителя.

Соединенные параллельно элементы позволяют построить батарею с нужным показателем емкости. Данный тип накопителя не может сохранять энергию долго без потерь. К тому же, собирается ее довольно мало. Но при малом потреблении конденсатор может быть достаточно эффективен. Сегодня именно такие накопители используют в аварийных светодиодных лампах.

Во время питания конденсатор заряжается, при отсутствии энергоснабжения светильник работает в течение получаса, чтобы люди могли принять меры к устранению причин перебоя, лечь спать или перевести оборудование в режим консервации.

Ионистор

Ионисторы, или, как их еще называют, суперконденсаторы, используют несколько другую схему накопления энергии. Здесь заряд распределяется в объеме рабочего тела в виде заряженных частиц. В результате достигаются огромный (по сравнению с конденсаторами) срок хранения энергии и емкость, но наблюдается крайняя чувствительность к температуре. Чем ниже температура рабочей среды, тем меньше отдача тока от накопителя энергии.

Аккумуляторы химического преобразования

Электрохимическая ячейка – основа большинства автомобильных, мотоциклетных и других привычных типов аккумуляторов. Схема работы накопителя проста:

в результате взаимодействия пластины металла и кислоты образуются заряженные ионы;
в ходе работы соли осаждаются на пластине из катализатора;
по мере понижения насыщенности электролита аккумулятор истощается – уровень выдачи энергии снижается.

При зарядке происходит обратный процесс. Электролиз восстанавливает показатели электролита, переносит металл на пластину-донор. Достоинств у электрохимического аккумулятора множество. Можно получить стабильный и высокий выходной ток, что ценно для пуска мощного оборудования. Легко создать устройство с высокой емкостью, полезное для долгой работы различного оборудования.

К недостаткам электрохимической ячейки классического типа относится конечное число циклов заряда-разряда. Некоторое количество солей металла становятся инертными, пластины приходят в негодность, истощается электролит. Данные недостатки в большой степени нейтрализованы в гелевых батареях. Этот современный источник энергии содержит коллоидный электролит. В нем лучше проходят процессы образования ионов. Но есть и недостаток – повышается чувствительность к температуре. При ее понижении гель твердеет, показатель отдачи тока падает.

В качестве заключения

Накопители разного типа энергии можно рассматривать очень долго. Это механические – различные пружины. Кинетические – маховики большой массы, используемые, например, в троллейбусах. Аккумуляторы с разным типом носителя ионов – литиевые, никель-марганцевые, кадмиевые. Но использование любого типа накопителя, прежде всего, обуславливается балансом между его характеристиками и показателями потребления энергии.

Читайте также: