Как с помощью супермаховика можно запасти электрическую энергию
Перейти к содержимому

Как с помощью супермаховика можно запасти электрическую энергию

  • автор:

Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир

Когда речь заходит о том, что надо как-то накопить энергию, многие сразу начинают думать об аккумуляторной батарее. Конечно, что же это может быть еще. Тем не менее, есть еще один способ, который используется не очень часто, но при этом имеет очень хорошие перспективы. Особенно, на фоне развития других технологий. Такие разработки даже применялись при производстве общественного и грузового транспорта. Их начало берет свои корни еще в Советском Союзе, но в последнее время технология начинает применяться все чаще. Несколько лет назад, когда позволял регламент, это использовалось даже в Формуле-1. Откроем завесу тайны и расскажем, как работает это достаточно простое, но гениальное изобретение, и о человеке, который посвятил этому жизнь.

Самый эффективный способ накопления энергии стар как мир. Древний маховик тоже был своего рода аккумулятором. Фото.

Древний маховик тоже был своего рода аккумулятором.

Что такое маховик?

Говорить мы сегодня будем о супермаховиках и об их создателе Нурбее Гулиа. Хоть и кажется, что маховик это что-то устаревшее и чисто техническое, но и в новом электрическом мире ему есть место.

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии или для создания инерционного момента, как это используется на космических аппаратах.

Сами маховики были изобретены очень давно и даже успешно применялись в промышленности тех лет. Есть даже находки в Междуречье и древнем Китае, которые подтверждают использование подобных устройств. Правда, тогда они делались из обожженной глины или из дерева и выполняли иные функции.

Где применяются маховики?

Благодаря своей массивности и законам физики, которые сопровождают движение маховика, он нашел применение во многих современных механизмах — от транспорта до промышленности.

Самое простое применение заключается в сохранении скорости вращения вала, на котором установлен маховик. Это может пригодиться во время работы какого-нибудь станка. Особенно, в те моменты, когда он испытывает резкие нагрузки и надо не допустить падения частоты вращения. Получается такой своего рода демпфер.

Наверное, самым частым местом, где встречаются маховики, является двигатель внутреннего сгорания автомобиля. Он позволяет сохранить скорость вращения двигателя при выключении сцепления. Тем самым снижается воздействие на трансмиссию, так как переключение передачи происходит в то время, когда двигатель работает на оборотах выше оборотов холостого хода. Кроме этого, так достигается больший комфорт и плавность движения. Правда, на гоночных машинах маховик очень сильно облегчается для снижения веса и увеличения скорости, с которой раскручивается двигатель.

Где применяются маховики? Маховик легкового автомобиля. Фото.

Маховик легкового автомобиля.

Также маховики часто используются для стабилизации движения. Происходит это за счет того, что колесо, которым и является маховик, при вращении создает гироскопический эффект. Он создает сильное сопротивление при попытке наклонить его. Этот эффект легко ощутить, например, раскрутив колесо велосипеда и попытавшись его наклонить, или взяв в руки работающий жесткий диск.

Такая сила мешает при управлении мотоциклом, заставляя прибегать к контррулению, особенно на большой скорости, но очень помогает, например, для стабилизации корабля во время качки. Также подвесив такой маховик и учитывая, что он всегда находится в одном положении относительно горизонта, можно фиксировать его отклонения от корпуса объекта и понимать его положение в пространстве. Применение таких свойств маховика актуально в авиации. Именно вращающийся маховик позволит определить положение фюзеляжа самолета в пространстве.

Супермаховик Гулиа

Теперь, после достаточно долгого введения и предысторий, поговорим непосредственно о супермаховиках и о том, как они помогают сохранять энергию, не имея в составе каких-либо химических соединения для этого.

Супермаховик Гулиа. Нурбей Гулиа — создал и продвигает идею супермаховика, как накопителя энергии. Фото.

Нурбей Гулиа — создал и продвигает идею супермаховика, как накопителя энергии.

Супермаховик представляет собой один из типов маховиков, предназначенный для накопления энергии. Он специально сделан так, чтобы накапливать как можно больше энергии без необходимости применения по другому назначению.

Такие маховики тяжелые и очень быстро крутятся. Из-за того, что скорость вращения очень высокая, есть риск разрежения конструкции, но это тоже продумано. Сам маховик состоит из намотанных витков стальной пластичной ленты или из композитных материалов. Кроме того, что такая конструкция прочнее монолитной, она еще разрушается постепенно. То есть, при отслоениях маховик просто будет тормозиться и запутается в своих же частях. Думаю, не стоит объяснять, что разрыв маховика, который вращается со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту и весит минимум десятки килограмм, чреват очень серьезными последствиями.

Кроме этого, для обеспечения еще большей безопасности можно поместить систему с таким маховиком в бронекапсулу и закопать ее на несколько метров в землю. В этом случае движущиеся элементы точно никак не смогут навредить человеку.

Дополнительным плюсом использования бронекапсулы будет создание в ней вакуума, который позволит существенно снизить воздействие внешних сил на движение. Проще говоря, так можно свести к минимуму или вообще убрать сопротивление газовой среды (в обычном случае воздуха).

Супермаховик Гулиа. Так устроен супермаховик Гулиа. Фото.

Так устроен супермаховик Гулиа.

В качестве дополнительных сил, мешающих вращению, еще выступает сопротивление подшипников, на которых установлен маховик. Но его можно установить на магнитный подвес. В этом случае силы воздействия сведены к такому минимуму, которым можно пренебречь. Именно по этой причине такие маховики способны крутиться месяцами. Кроме этого, магнитный подвес позволяет не задумываться об износе системы. Изнашивается только генератор.

Именно генератор и является тем элементом, который позволяет выработать электричество. Он просто подключается к маховику, и получая переданное им вращение вырабатывает электричество. Получается аналог обычного генератора, только для этого не надо сжигать топливо.

Чтобы получать еще больше интересной информации из мира высоких технологий, подписывайся на наш новостной канал в Telegram.

Для накопления энергии в то время, когда нет нагрузки, маховик раскручивается и тем самым “держит заряд”. Собственно, возможен и комбинированный вариант по аналогии с обычными аккумуляторами, которые могут одновременно отдавать энергию и заряжаться сами. Для раскрутки маховика используется мотор-генератор, который может как раскручивать маховик, так и забирать энергию его вращения.

Такие системы актуальны для накопления энергии в домохозяйствах и в системах зарядки. Например, подобная система по задумке инженеров Skoda должна использоваться для зарядки автомобилей. Днем маховик раскручивается, а вечером отдает заряд в электромобили, не нагружая городскую сеть в вечернее и ночное время. При этом можно заряжаться медленно от одного маховика или быстро от нескольких, с которых будет “сниматься” больше электричества.

Эффективность супермаховиков

Эффективность супермаховиков при всей их кажущейся архаичности достигает очень высоких значений. Их КПД доходит до 98 процентов, что даже не снилось обычным аккумуляторным батареям. Кстати, саморазряд таких батарей тоже происходит быстрее, чем потеря скорости хорошо сделанного маховика в вакууме и на магнитном подвесе.

Можно вспомнить старые времена, когда люди начали запасать энергию посредством маховиков. Самым простым примером являются гончарные круги, которые раскручивались и крутили, пока ремесленник работал над очередным сосудом.

Мы уже определись, что конструкция супермаховика достаточно проста, он имеет высокий КПД и при этом стоит относительно недорого, но есть у него один минус, который сказывается на эффективности его использования и стоит на пути массового внедрения. Точнее, таких минусов два.

Эффективность супермаховиков. Ленточный маховик. Фото.

Главным из них будет тот самый гироскопический эффект. Если на кораблях это полезное побочное свойство, то на автомобильном транспорте это будет очень сильно мешать и надо будет использовать сложные системы подвеса. Вторым минусом будет пожароопасность в случае разрушения. Из-за большой скорости разрушения даже композитные маховики будут выделять большое количество тепла за счет трения о внутреннюю часть бронекапсулы. На стационарном объекте это не будет большой проблемой, так как можно сделать систему пожаротушения, но на транспорте может создать очень много трудностей. Тем более, на транспорте риск разрушения выше за счет вибраций во время движения.

Где применяются супермаховики?

В первую очередь, Н.В. Гулия хотел использовать свое изобретение именно на транспорте. Даже было построено несколько образцов, которые проходили испытания. Несмотря на это, системы дальше испытаний не пошли. Зато применение такому способу накопления энергии нашлось в другой сфере.

Так в США в 1997 году компания Beacon Power сделала большой шаг в разработке супермаховиков для применения их в электростанциях на промышленном уровне. Эти супермаховики могли запасать энергию до 25 кВт⋅ч и имели мощность до 200 кВт. Строительство станции мощностью 20 МВт началось в 2009 году. Она должна была нивелировать пики нагрузки на электрическую сеть.

В России тоже есть подобные проекты. Например, под научным руководством самого Н. В. Гулиа компания Kinetic Power создала собственную версию стационарных накопителей кинетической энергии на базе супермаховика. Один накопитель может запасать до 100 кВт⋅ч энергии и обеспечивать мощность до 300 кВт. Система таких маховиков может обеспечивать выравнивание суточной неоднородности электрической нагрузки целого региона. Так можно полностью отказаться от очень дорогих гидроаккумулирующих электростанций.

Возможно использование супермаховиков и на объектах, где нужна независимость от электрических сетей и резервное питание. Эти системы имеют очень высокую скорость отклика. Она составляет буквально доли секунд и позволяет обеспечить действительно бесперебойное питание.

Где применяются супермаховики? Такая идея «не зашла». Может получится с поездами? Фото.

Такая идея «не зашла». Может получится с поездами?

Еще одним местом, где возможно применение Супермаховик, является железнодорожный транспорт. На торможение составов тратится очень много энергии и, если не тратить ее впустую, нагревая тормозные механизмы, а раскрутить маховик, накопленную энергию потом можно потратить на набор скорости. Вы скажете, что система на подвесе будет очень хрупкой для транспорта и будете правы, но в таком случае можно говорить и о подшипниках, так как запасать энергию надолго просто нет необходимости и потери от подшипников будут не такими большими на таком промежутке времени. Зато такой способ позволяет экономить 30 процентов энергии потребляемой поездом для движения.

Как видим, системы на супермаховиках имеют очень много плюсов и совсем немного минусов. Из этого можно сделать вывод, что они будут набирать популярность, становиться более дешевыми и массовыми. Это тот самый случай, когда свойства вещества и законы физики, знакомые людям с древних времен, позволяют придумать что-то новое. В итоге вы получили удивительным симбиозом механики и электрики, потенциал которого до конца еще не раскрыт.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ ЗАПАСАНИЯ ЭНЕРГИИ

Современные тенденции развития многих областей науки и техники, таких как электроэнергетика, электротранспорт, электрораспределительные сети, а также возобновляемые источники энергии, ставят новые задачи по улучшению как количественных, так и качественных характеристик энергосистем. Одной из таких задач является задача запасания электроэнергии для улучшения показателей эффективности, качества и стабильности источников электроэнергии. Методы запасания энергии различаются по многим параметрам, таким как выходная мощность, количество запасаемой энергии, время хранения, количество циклов заряд/разряд, стоимость, массогабаритные показатели, а также по специфике внедрения. Все это ограничивает области их применения, а также требует внимания при проектировании энергосистем на их основе. Современной энергоэффективной и высокотехнологичной альтернативой перечисленным способам хранения энергии является устройство запасания кинетической энергии – супермаховик. Возможность использования маховиков в качестве конкурентоспособного устройства хранения энергии появилась сравнительно недавно благодаря разработкам в областях композитных материалов, магнитных подшипников, электрических машин и полупроводниковой электроники. Все перечисленные методы хранения энергии имеют свои достоинства и недостатки, которые необходимо учитывать при разработке и внедрении систем запасания энергии для решения конкретных задач. По причине многих специфических особенностей супермаховиков, а также других представленных методов задача выбора оптимальной системы хранения энергии является нетривиальной и требует особого внимания. Целью настоящей работы является сравнение супермаховиков с другими методами запасания энергии по различным параметрам и аспектам использования, а также определение оптимальных областей применения супермаховиков.

Обзор характеристик и специфики супермаховиков.

Долгое время использование маховиков имело целью лишь обеспечение плавной работы машин и механизмов. Новейшие разработки последних лет позволили создать супермаховики – сложные высокотехнологичные устройства, главным назначением которых является запасание энергии. Супермаховик запасает энергию в виде кинетической энергии вращения. Количество энергии пропорционально инерции вращающегося тела J и квадрату угловой скорости вращения ω, согласно формуле Ek= 1 /2 J w 2 .

Кинетическая энергия передается на маховик и от маховика при помощи мотор-генератора – обратимой электрической машины, чаще всего встроенной в конструкцию маховика. При работе в режиме двигателя электрическая энергия, подводимая к обмоткам статора, создает вращающий момент и увеличивает скорость вращения маховика. В режиме генератора имеет место обратный процесс – превращение кинетической энергии вращения в генераторный момент на валу и впоследствии в электрическую энергию. Для двустороннего обмена энергией мотор-генератор подключен к сети посредством обратимого преобразователя. Общий вид типичной конструкции супермаховика со встроенным мотор-генератором, подключенного к звену постоянного тока через инвертор напряжения, представлен на схеме (рисунок).

До недавнего времени определенный круг технических проблем не позволял супермаховикам конкурировать с другими способами запасания энергии. Прежде всего, это было связано с недостаточной энергоэффективностью, удельной энергоемкостью и максимальным временем хранения энергии. Все вышеперечисленное являлось причиной для неоправданного увеличения массогабаритных показателей, стоимости изготовления и эксплуатации, ограничения областей применимости и т.д. Из формулы (Ek= 1 /2 J w 2 ) видно, что запасаемая в маховике кинетическая энергия имеет линейную зависимость от момента инерции вращающейся массы и квадратичную зависимость от скорости вращения. Соответственно при росте скорости вращения, даже если масса и момент инерции маховика будут пропорционально уменьшаться, количество запасаемой энергии будет расти. Это утверждение позволяет сделать вывод о том, что материал для изготовления маховика с высокой энергоемкостью должен иметь высокий предел прочности при низкой плотности для работы при высоких скоростях вращения. До недавнего времени самыми распространенными материалами для изготовления маховиков являлись конструкционные стали, которые при высокой плотности не обеспечивают достаточной прочности на разрыв для сохранения структурной целостности при высоких скоростях вращения. Внедрение современных композитных материалов для изготовления маховиков, таких как стекловолокно и карбоновое волокно, предел прочности которых превышает сталь до пяти раз, позволило значительно увеличить скорости вращения и энергоемкость системы. Сравнение композитных материалов с металлами представлено в табл. 1

Типичные механические характеристики материалов маховика Помимо этого, высокие скорости увеличивают нагрузки и создают повышенные требования к подшипниковым узлам конструкции. Для решения этой проблемы в качестве элемента опоры ротора супермаховика используются активные магнитные подшипники, что позволяет поддерживать ротор по принципу магнитной левитации. Развитие более прогрессивных алгоритмов управления, а также микропроцессорной техники позволяет в реальном времени стабилизировать ротор при любых скоростях вращения и добиться полного отсутствия соприкосновения ротора с другими элементами конструкции и свести механическое трение к нулю. Помимо решения уже упомянутой проблемы высоких скоростей вращения, магнитные подшипники обладают другими достоинствами, особенно важными для супермаховиков. Следствием полностью бесконтактной работы являются устранение механического износа и необходимости регулярного технического обслуживания, что увеличивает рентабельность и надежность системы. Другой мерой уменьшения потерь и последним шагом к долговременному хранению энергии является помещение ротора в безвоздушное пространство. Это достигается созданием специальной оболочки, способной выдержать атмосферное давление снаружи и поддерживать определенный уровень вакуума внутри. Поддержание сверхнизкого давления в камере требует вакуумного насоса, что несколько увеличивает сложность и стоимость системы, но необходимо для устранения аэродинамических потерь и запасания энергии на длительный срок. Работа магнитных подшипников и электрической машины в вакуумной среде требует отдельного внимания при проектировании со стороны, во-первых, используемых материалов, а во-вторых – отвода тепловых потерь. Высокие скорости вращения и требования эффективности также подразумевают создание эффективных высокоскоростных электрических машин и высокочастотных преобразователей. Исследования последних лет в области электрических машин позволяют создавать бесколлекторные машины на постоянных магнитах и реактивные электродвигатели, коэффициент полезного действия (КПД) которых достигает 95% в номинальном режиме. Использование таких типов машин требует высокочастотного инвертора. Коммерческие модели инверторов в настоящее время поддерживают частоты до 500 Гц, что позволяет обеспечивать работу двухполюсных машин на скоростях до 30000 об/мин, а также имеют достаточно высокое быстродействие для компенсации пульсаций и скачков сетевого напряжения. Это свойство составляет важную особенность супермаховика и является одним из главных преимуществ по сравнению с аккумуляторами. КПД преобразования инвертора, использующегося для питания супермаховика, может достигать 95–98%. При создании специализированных моделей инверторов частота питания может быть увеличена, а КПД доведен до верхней границы указанного диапазона. Общий КПД, с учетом потерь при хранении энергии и эффективности преобразования, превосходит 85% и в некоторых случаях может достигать максимальных значений в 97%. Предельная энергоемкость современных супермаховиков достигает 300 Вт·ч/кг. По прогнозам развития композитных материалов и увеличения их предела прочности, показатель энергоемкости может быть увеличен до 800 Вт·ч/кг в ближайшие 5 лет, а долговременный прогноз теоретического максимума достигает значения 2700 Вт·ч/кг.

Краткий обзор других способов запасания энергии.

Для сравнения супермаховиков с другими способами запасания энергии необходимо рассмотреть характерные параметры и особенности современных способов хранения энергии, использующихся на практике в различных областях. Электрохимические аккумуляторы. Являются одним из самых известных способов хранения энергии и широко используются в этом качестве в различных приложениях. Аккумуляторы являются модульным, бесшумным и относительно дешевым устройством. Привлекательным вариантом их также делает неприхотливость к рабочей среде, удобство и быстрота установки. Крупные аккумуляторные системы используют инвертор для преобразования постоянного тока аккумулятора в переменный ток поддерживаемой сети. Общая эффективность такой системы обычно находится в диапазоне 60–80%. Относительно низкая эффективность преобразования объясняется тем, что аккумуляторы запасают энергию при помощи электрохимического процесса. Каждый цикл преобразования энергии неизбежно сопровождается выделением тепла, что уменьшает КПД преобразования и требует контроля температуры для предотвращения уменьшения долговечности или термического повреждения аккумулятора. Другой проблемой является ограниченный жизненный цикл аккумулятора. Он определяется как число циклов заряда/разряда, которое батарея может обеспечить, и является фиксированной величиной для каждого типа аккумуляторов. Более того, жизненный цикл зависит от типичной глубины разряда, которой аккумулятор подвергается при работе. При относительно невысоких показателях глубины разряда жизненный цикл не изменяется, но может ухудшиться при глубоком разряде. Электрохимические аккумуляторы также имеют строго ограниченную скорость разряда или выходную мощность, превышение которой может повредить аккумулятор. Это значение может составлять 10–25% от общей емкости аккумулятора, в зависимости от типа, что значительно ограничивает применимость аккумуляторных батарей в приложениях большой мощности. Суперконденсаторы. Суперконденсаторы или ионисторы являются электрохимическим устройством, совмещающим достоинства аккумуляторных батарей и конденсаторов. Такой тип устройств запасания энергии известен примерно с 1960-х г.г.. Механизм запасания энергии суперконденсатором не включает химических реакций, что делает цикл заряд/разряд более быстрым, надежным, отличающимся от аккумуляторов значительно бόльшим жизненным циклом – до сотен тысяч циклов заряд/разряд. Суперконденсатор также отличается устойчивостью к внешним воздействиям – температурным диапазоном от –40°C до +65°C, вибрационной и ударной стойкостью. Главным недостатком и ограничительным фактором применения суперконденсаторов является относительно низкая плотность энергии. По сравнению с электрохимическими аккумуляторами, типичная плотность энергии может быть на порядок меньше. При этом суперконденсаторы при тех же параметрах могут иметь на порядок большую выходную мощность, что позволяет использовать их вместе с аккумуляторами, объединяя их достоинства и компенсируя недостатки. Самостоятельно суперконденсаторы часто используются для кратковременного запасания небольших количеств энергии, улучшения качества электроэнергии и стабильности небольших сетей. Суперконденсаторы являются многообещающей альтернативой аккумуляторов при длительном жизненном цикле, быстром цикле заряд/разряд и эффективностью около 95% и выше. Главными проблемами суперконденсаторов остаются низкая плотность энергии и высокая стоимость. Гидроаккумулирующие электростанции. Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) используются во всем мире в течение более чем 70 лет. Эти крупномасштабные системы хранения энергии являются наиболее широко применяемой технологией хранения энергии, использующейся сегодня. Примерно 280 проектов ГАЭС работают по всему миру, обеспечивая генерируемую мощность около 90 ГВт, что составляет около 3% мировой генерации электроэнергии. Такой тип электростанций работает по тому же принципу, что и обычные ГЭС, с той лишь разницей, что их генераторы могут также работать в режиме двигателя. Во время низкого потребления электроэнергии вода закачивается из нижнего резервуара в верхний, а во время высокого энергопотребления вращает турбину и производит электроэнергию по принципу гидрогенератора. Такие системы способны запасать большое количество энергии на длительное время при эффективности полного цикла около 70–80%. Количество запасаемой энергии зависит только от вместимости резервуара. Главным недостатком такого способа хранения энергии является использование больших площадей для создания резервуаров и необходимый перепад высот. Большинство подходящих участков земли уже использованы, а освоение новых сопряжено с нанесением большого вреда экологии региона. Также такие системы требуют длительного времени на создание и сопряжены с большими расходами на проектирование и реализацию.

Системы со сжатым воздухом. Сжатый воздух используется в качестве носителя для хранения энергии относительно недавно. Первая система, основанная на принципе сжатия и расширения воздуха, была построена в Huntof, Германия, в 1978 г. Энергоемкость системы составляет 290 МВт в течение 4 часов. При этом полная эффективность преобразования составляет около 85%. Это объясняется тем, что такой тип электростанций чаще всего использует сжатый воздух в сочетании с одним из различных видов топлива для работы турбогенератора. Но электростанция со сжатым воздухом использует на две трети меньше топлива, по сравнению с обычными термоэлектростанциями, и способна начать работу в течение лишь нескольких десятков минут. Основной особенностью системы запасания энергии со сжатым воздухом является герметичный и очень большой резервуар. Создание подземных резервуаров для сжатого воздуха сопряжено с большими трудностями, а небольшие резервуары, находящиеся на поверхности, как правило, ограничены в накоплении энергии лишь на несколько часов. Чтобы получить большую эффективность и создать систему, работающую без дополнительного топлива, разрабатываются новые гибридные технологии, совмещающие описанный принцип с использованием суперконденсаторов, гидравлики и пневматики.

Сверхпроводящие системы. Индуктивные сверхпроводящие накопители являются одной из самых современных и технически сложных технологий хранения энергии. Они представляют собой криогенные системы, охлаждающие электромагнитную катушку до создания эффекта сверхпроводимости, что, по сути, исключает потери энергии в проводниках. Энергия в такой системе хранится в виде магнитного поля, которое может быть высвобождено в виде постоянного тока, который, в свою очередь, преобразуется в переменный ток с частотой сети. Такой принцип позволяет добиться быстрой реакции и высокой выходной мощности, а эффективность таких устройств может достигать 95–98%. Помимо больших ГАЭС, это единственная система, которая способна сглаживать и компенсировать энергопотребление мощных систем при высоком КПД. При больших потенциальных возможностях технологии главными недостатками таких систем являются сложность охлаждения катушки до сверхпроводящих температур и крайне высокая стоимость производства и эксплуатации.

Сравнительный анализ и рекомендации по применению супермаховиков.

После краткого обзора различных способов запасания энергии выполнено количественное сравнение их параметров (табл. 2).

Рассмотрение специфических особенностей супермаховиков, их достоинств и недостатков по сравнению с другими способами запасания энергии позволяет дать некоторые рекомендации по их применению. Большая выходная мощность супермаховика позволяет использовать его в качестве буферного источника пиковой мощности в сочетании с другим устройством, не способном компенсировать пиковую мощность, например, аккумуляторами. Высокая эффективность и большой жизненный цикл супермаховика в сочетании с экологичностью делают его отличным комплиментарным устройством для возобновляемых источников энергии, таких как ветрогенераторы и солнечные батареи. Нерегулярность генерации таких источников, зависящая от внешних факторов, может быть эффективно скомпенсирована супермаховиком. Хорошая масштабируемость позволяет создавать устройства хранения энергии как для локальных источников возобновляемой энергии небольшой мощности, так и для крупных электростанций. Еще одной рекомендуемой областью применения супермаховиков являются электротранспорт и транспортные средства с гибридными электроустановками. Повышение эффективности за счет рекуперативного торможения требует устройства для сохранения энергии, способного часто работать в режиме заряд/разряд и при этом поддерживать требуемый уровень энергоемкости, надежности и эффективности. Супермаховики могут успешно использоваться для этой цели на современных электромобилях, электропоездах, общественном транспорте, метро и т.д. Более узкая ниша потенциального применения – аэрокосмическая отрасль, которая также может воспользоваться многими перечисленными достоинствами супермаховиков. Модульность, высокая эффективность, отсутствие механического трения и долгое время работы без обслуживания – важные факторы для космического применения. Малое время реакции на изменения в сети и высокая выходная мощность могут использоваться для поддержания требуемого качества электроэнергии и общей надежности сети одновременно с выполнением задачи накопления энергии.

Заключение.

В работе рассмотрены различные системы хранения энергии, а также современное устройство запасания кинетической энергии – супермаховик. Анализ их характеристик и сравнение типичных параметров и специфичных особенностей применения позволили определить оптимальные области применения супермаховиков и дать основные рекомендации по их использованию. Сделан вывод о том, что супермаховики являются перспективным способом как запасания энергии, так и улучшения качества и надежности электрораспределительных сетей. Развитие областей науки и техники, ставших основной причиной развития и распространения супермаховиков, будет способствовать дальнейшему улучшению характеристик и прогрессу в данной отрасли. Экологическая нейтральность супермаховиков также является важным преимуществом и в будущем будет все больше способствовать их распространению, вместе с возобновляемыми источниками энергии и умными сетями электроснабжения. Проведенный анализ и рекомендации по внедрению супермаховиков будут использованы при разработке устройств запасания энергии для возобновляемых источников в Лаппеенрантском технологическом университете для проектирования умной системы электроснабжения «Green Campus» (научнотехническая программа ЕС «Horizon 2020»).

М.А. Соколов, В.С. Томасов, R.P. Jastrzębski

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 2014, № 4 (92)

Технологии хранения электрической энергии

Технологии хранения электрической энергии в энергетическом инжиниринге

Развитие солнечных и ветровых электростанций тесно связано с технологиями хранения электрической энергии, которые обеспечивают бесперебойное питание потребителя.

✓ Проектное финансирование и инвестиционный консалтинг от ESFC Investment Group:

• от €50 млн и больше;
• инвестиции до 90% от стоимости проекта;
• срок погашения кредита от 10 до 20 лет;

Для рассмотрения вопроса финансирования отправьте заполненную форму заявки и презентацию вашего проекта нам на электронную почту.

Системы хранения электрической энергии — это стремительно развивающийся класс высокотехнологичного оборудования, открывающий принципиально новые возможности развития энергетического инжиниринга.

Они делают электроэнергию запасаемой и «переносимой», что устраняет необходимость строгой одновременности процессов производства и потребления.

Эти технологии обеспечивают бесперебойное питание в случае критического падения, понижения или полного отсутствия напряжения в электрической сети.

На текущий момент компания Highview Power разрабатывает и внедряет криогенные системы накопления и хранения энергии, которые идеально подходят для возобновляемых источников энергии.

В этой статье мы поговорим о физических, электрохимических и электрических системах хранения электроэнергии, а также об их применении в возобновляемой энергетике.

Мировая электроэнергетическая отрасль следует технологическому принципу, который заключается в равновесии уровня производства и потребления. Инновационная технология, которая позволяет отделить производство от потребления — это система хранения электрической энергии.

Эта технология полностью меняет всю систему диспетчеризации, соотношение традиционной и альтернативной электроэнергетики.

Увеличение количества электроэнергии, производимой из возобновляемых источников энергии (ВИЭ), поставило новые задачи перед электрическими сетями, которые уже работают в условиях повышенной нагрузки.

Современные системы электроснабжения должны всегда уравновешивать спрос и предложение, демонстрируя гибкое управление и оптимальную энергоэффективность.

Растущее использование ВИЭ создает новый источник нестабильности.

Внедрение солнечных и ветровых электростанций по всему миру сопровождается значительными пиками и спадами производства электроэнергии. Системы хранения сглаживают неравномерное производство электроэнергии и снижают скорость изменения мощности средних и крупных установок, использующих солнечную и ветровую энергию.

Таким образом, эти системы обеспечивают стабильный уровень выходной мощности и делают ВИЭ предсказуемым компонентом электросети.

Использование той или иной системы накопления электроэнергии (ESS) зависит от множества технических и экономических факторов.

С технической точки зрения любая ESS представляет собой сложную многокомпонентную систему с несколькими потенциальными способами преобразования энергии. Каждый этап этого процесса осуществляется с помощью хорошо стандартизированных компонентов, таких как трансформаторы, системы преобразования энергии и новые типы электрохимических аккумуляторов.

В настоящее время существует несколько видов технологий хранения электроэнергии.

Среди примеров данных систем можно назвать гидроаккумулирующие электростанции, химические источники электроэнергии, системы хранения на основе маховиков, водорода, а также синтетического природного газа.

Преимущества систем хранения электрической энергии

Во всем мире растет количество ветряных и солнечных электростанций, а с ним увеличивается и относительная доля возобновляемых источников энергии в энергетическом балансе.

Характерные для них колебания выработки энергии могут привести к перегрузкам электросети и нестабильности частоты тока. Интеграция системы хранения электроэнергии с возобновляемыми источниками энергии направлена на сглаживание воздействия неравномерной генерации на электросеть.

Балансировка распределительной сети традиционно достигается за счет увеличения генерации для удовлетворения потребностей в энергии. Но этот подход отрицательно сказывается как на эффективности, так и на сроке эксплуатации оборудования.

Этой меры не всегда достаточно, особенно по мере роста производства возобновляемой энергии.

Подключенные к электросети ESS преодолевают эти ограничения, обеспечивая важный «буфер», который отделяет потребление от генерации электроэнергии. Это увеличивает эффективность системы и сокращает выбросы СО2.

Составные части системы хранения электроэнергии

Современные решения по хранению энергии включают несколько ключевых компонентов для функционирования системы.

В основе системы лежит устройство, в котором происходит сам физический процесс накопления энергии. В большинстве случаев такой процесс основан на электрическом (конденсаторы), электрохимическом (аккумуляторные батареи) или механическом (маховики) принципах работы.

Как правило, ESS, подключенные к сети, требуют установки преобразователя мощности, который может представлять собой одиночную или распределенную преобразовательную систему. В остальных случаях к сети посредством регулятора частоты или напрямую подключается мотор-генератор.

Для прямого подключения преобразователь мощности не требуется или же используется для генерации напряжения возбуждения. В большинстве случаев между электросетью и системой хранения электрической энергии устанавливается трансформатор.

Состояние физического накопителя энергии контролируется системой управления батареями (BMS) или системой управления конденсаторами (CMS). Она считывает все необходимые данные, такие как значения напряжения, тока и температуры для батарей и литий-ионных конденсаторов, скорость и температуру маховика и другие параметры.

Электронное оборудование определяет, когда и в какой степени ESS будет заряжаться или разряжаться. В зависимости от функциональности это можно сделать локально с минимальным временем отклика (миллисекунды и меньше) на основе локально измеренных данных (например, тока, напряжения, мощности, частоты) или в рамках внешней системы управления энергопотреблением, подключенной к цифровому протоколу.

Для функционирования таких систем необходимо несколько периферийных компонентов.

В зависимости от физического принципа работы системы хранения электроэнергии, они могут включать специальные охладительные системы и насосы.

Потребление энергии со сдвигом во времени

Системы хранения электроэнергии, используемые для этой задачи, заряжаются по низким тарифам на электроэнергию и разряжаются, когда цены на электроэнергию высокие.

За более короткий период времени они могут выполнять аналогичную задачу, накапливая энергию, генерируемую из возобновляемых источников и характеризующуюся нестабильной производительностью. Если разница в тарифах на электроэнергию является ведущим фактором, применение таких систем выглядит привлекательным.

Накопление энергии в режиме зарядки в моменты пиковой мощности для предотвращения перегрузки называется «пиковым сбросом» (peak shaving). Этот подход может применяться как при пиковой генерации электроэнергии, так и при пиковом потреблении (в случаях неизбежной перегрузки).

Используемые таким путем системы накопления электроэнергии могут быть расположены на электростанциях, рядом с ней или в других частях сети, в том числе на источнике нагрузки.

Другой вариант применения этой технологии — накопление энергии для отсрочки и уменьшения потребности в строительстве новых генерирующих мощностей. Системы хранения энергии обеспечивают поддержание пиковой мощности при высоком потреблении, облегчая работу генераторов.

Затем система перезаряжается в период низкого потребления.

Контроль и регулирование нагрузки

Отслеживание нагрузки — одна из вспомогательных задач для обеспечения стабильности электросети.

Системы накопления энергии в этом случае используются для подачи (разряда) или накопления (зарядки) электрической энергии при изменении нагрузки.

При этом скорость изменения нагрузки в электросети должна находиться в определенных пределах. То же относится к колебаниям производства электроэнергии, которые особенно характерным для возобновляемых источников.

Преимущества использования систем накопления энергии для контроля нагрузки состоят в том, что они могут работать при частичной нагрузке с относительно небольшим снижением производительности и быстро реагируют на изменения нагрузки.

Эти технологии применяются для устранения мгновенных различий между потреблением и выработкой энергии в определенной зоне или же для компенсации мгновенных отклонений в обмене потоками энергии между двумя зонами.

Традиционные электростанции также подходят для этого, поскольку быстрые изменения в производстве энергии приводят к значительному износу оборудования.

Использование ESS в передаче и распределении энергии

Правильно расположенные системы хранения электроэнергии в пределах инфраструктуры передачи могут служить энергетическим буфером, уменьшая перегрузку и помогая бизнесу отсрочить дорогостоящие мероприятия по модернизации электросети.

При пиковом потреблении имеющиеся линии электропередачи могут не обслуживать всех подключенных потребителей. Перегрузка сети может увеличить затраты на электроэнергию.

Системы накопления энергии позволяют компенсировать это.

Установка ESS после перегруженного узла может отсрочить необходимость модернизации линий электропередач на определенный период, например, на несколько лет. Такие системы могут использоваться аналогичным образом в распределительных сетях, обеспечивая отличную альтернативу замене основных компонентов.

Физические технологии хранения электрической энергии

Физические технологии хранения электрической энергии

Наиболее широко используются гидроаккумулирующие электростанции, которые обладают самой высокой энергоемкостью.

99% хранимой электроэнергии в мире поступает от них.

Гидроаккумулирующие электростанции

Гидроаккумулирующие электростанции представляют собой комплекс генераторов и насосов или реверсивных гидрогенераторов.

Это гравитационные системы хранения электроэнергии.

В часы ночного минимума потребления насосы используют дешевую электроэнергию для перекачки воды в верхний резервуар для воды. В периоды максимального потребления электроэнергии утром и вечером вода под действием силы тяжести опускается к турбине, и электростанция вырабатывает дорогостоящее электричество.

Такой маневренный источник питания необходим для оперативного регулирования частоты в энергосистеме. КПД этих электростанций составляет около 70-85%, а срок службы до 40 лет. Они отличаются высокой установленной мощностью и инерционностью.

Однако широкому внедрению гидроаккумулирующих технологий препятствуют две основные проблемы.

Первая — это необходимость выбора естественного рельефа с большим перепадом высоты.

Вторая проблема — необходимость затопления огромной территории, что приводит к снижению эффективности из-за испарения воды и оборачивается катастрофическими последствиями для местной окружающей среды.

Накопители энергии сжатого воздуха

Накопитель энергии сжатого воздуха (CAES) действует с помощью электрического компрессора, который нагнетает воздух под высоким давлением в подземные полости естественного происхождения или в специальные резервуары.

Закачка воздуха проводится ночью, в часы с минимальным уровнем потребления электроэнергии.

В часы максимального потребления электроэнергии накопленный сжатый воздух используется для работы турбогенератора. Технологии CAES могут использоваться для хранения большого количества электроэнергии, подобно гидроаккумулирующим электростанциям, путем нагнетания воздуха в естественные хранилища. Для местного использования воздух закачивается в искусственные резервуары.

Основными препятствиями для использования технологии CAES является поиск подходящего географического местоположения хранилища и более низкая эффективность по сравнению с гидроаккумулирующими электростанциями.

Новейшим вариантом технологии CAES является AA-CAES, которая включает тепловое хранение электроэнергии.

Маховиковые накопители энергии

Хранение электрической энергии в виде кинетической энергии осуществляется с помощью маховика.

Современная конструкция маховикового накопителя энергии (FES) может включать в себя компоненты маховика, подшипники, электродвигатель / генератор и вакуумную емкость. Накопление и выделение электричества происходит в результате ускорения или замедления маховика.

Количество накопленной электроэнергии в супермаховике зависит от скорости вращения последнего.

Современные маховики выдерживают более 100 циклов разгона и торможения. Значительное внимание при строительстве этого оборудования уделяется использованию композиционных материалов для повышения прочности и оптимизации массогабаритных характеристик, а также вопросам безопасности.

Маховики широко используются для восстановления энергии торможения поездов метро, так как устройство находится на подстанции, а не в поезде. Их успешно применяют в аварийных энергосистемах крупных ответственных потребителей, в том числе для подачи энергии при запуске дизельного двигателя.

Главное преимущество FES — почти мгновенное поглощение нагрузки, при этом энергоемкость довольно низкая.

Все супермаховики можно подразделить на низкоскоростные (до 6000 оборотов в минуту) и высокоскоростные (до 100000 оборотов в минуту). Супермаховики обладают высоким КПД. Последние системы хранения энергии на базе FES предназначены для оперативного регулирования частоты тока в электросети.

Электрохимические системы для хранения энергии

Энергетический инжиниринг нашел другие решения для хранения электроэнергии, более простые с технической точки зрения и менее мощные, чем обычные гидроаккумулирующие электростанции.

Наибольшие усилия сегодня сосредоточены на электрохимических технологиях, которые преобразуют электроэнергию в химическую энергию веществ.

Эти технологии основаны на взаимодействии двух электродов и специальной жидкости — электролита. В последнее время участились разработки не только с жидким, но и с твердым электролитом. По такому принципу работают уже известные электрохимические батареи.

Это одна из наиболее широко используемых технологий хранения электроэнергии как в промышленности, так и в повседневной жизни. Принцип работы любых аккумуляторных батарей основан на обратимости протекающих химических реакций, поэтому их теоретически возможно использовать многократно.

Интересным решением являются проточные аккумуляторные батареи с жидкостью (flow battery), которые имеют увеличенную емкость за счет использования сразу двух емкостей с электролитами, разделенных мембраной.

Энергия вырабатывается при взаимодействии жидких компонентов, которые могут прокачиваться через элемент.

Наиболее распространенными типами аккумуляторных батарей в коммерческой сети являются свинцово-кислотные, литий-ионные и никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные батареи

В свинцово-кислотных батареях диоксид свинца и свинец служат реагентами, а раствор серной кислоты используется в качестве электролита.

В процессе зарядки и разрядки на электродах происходят электрохимические окислительно-восстановительные реакции, причем электролит является средой для переноса ионов между ними.

Количество ионов уменьшается или появляются новые.

В этом процессе электричество накапливается (зарядка) или отдается (разрядка). Во время работы отрицательного электрода происходят жидкофазные процессы, протекающие по механизму «растворение-осаждение». Гетерогенные неэлектрохимические реакции кристаллизации и растворения вместе с диффузией определяют скорость процесса разрядки и зарядки. Они замедляются при понижении температуры окружающей среды.

Свинцово-кислотные аккумуляторы широко распространены, но наряду с достоинствами у них есть существенные недостатки — низкая удельная энергоемкость (на уровне 10-30 Втч/кг) и использование токсичного свинца. Также они характеризуются незначительным количеством циклов зарядки / разрядки и малой допустимой глубиной разрядки.

По своему назначению свинцово-кислотные аккумуляторные батареи делятся на несколько групп.

Среди них стартерные (используются для пуска двигателей внутреннего сгорания), стационарные (в качестве резервного источника питания, в том числе ВИЭ), тяговые (для электротранспорта), переносные (для электроснабжения инструментов и приборов).

Литий-ионные батареи

Литий-ионные аккумуляторы содержат углеродный материал в качестве отрицательного электрода, в который обратимо включаются ионы лития.

Оксид кобальта, в который также обратимо включаются ионы лития, используется в качестве положительного электрода.

Принцип действия этой электрохимической системы основан на интеркаляции — обратимом включении молекул или групп между другими молекулами или группами. Ионы лития входят в состав разных соединений при разных электрохимических потенциалах.

Транспорт ионов лития между электродами осуществляется с помощью органического электролита, который включает смесь органических растворителей и соли лития.

Использование органических электролитов увеличивает напряжение по сравнению с обычными кислотными и щелочными системами.

Если аккумулятор заряжается, ионы лития вставляются в материал анода. При разрядке ионы лития высвобождаются и переносятся на катод, а высвобожденные электроны генерируют электрический ток во внешней цепи.

Наиболее распространенными типами аккумуляторных батарей в коммерческой сети являются свинцово-кислотные, литий-ионные и никель-кадмиевые

Этот тип аккумуляторов отличается высокой емкостью и глубоким циклом зарядки, достигающим 70-80%. В то же время экономическая целесообразность их использования зависит от типа электрохимических систем в катоде и аноде, а также от температуры и условий эксплуатации. К недостаткам можно отнести высокую стоимость, наклонную кривую разрядки и относительно высокий саморазряд.

Из-за высокой удельной энергии производство этих систем за последние годы резко увеличилось.

Никель-ионные батареи

Последняя технология хранения электрической энергии и третье поколение никель-ионных аккумуляторов — это системы, которые используют феррофосфат лития в качестве катодного материала.

Это превосходный материал для аккумуляторов, который способен отдавать почти весь накопленный литий, оставаясь стабильным. При этом сохраняется главное свойство литий-ионных аккумуляторов — высокая удельная энергоемкость.

Таким образом, литий-ионные батареи третьего поколения стали безопасными и высокоэффективными.

Никель-кадмиевые аккумуляторные батареи известны давно. Принцип действия их основан на образовании гидроксида кадмия на аноде и гидроксида никеля на катоде. В качестве электролита используется раствор гидроксида калия, поэтому их еще называют щелочными батареями. Они способны работать при низких температурах, а допустимые токи зарядки и разрядки значительно выше по сравнению со свинцово-кислотными батареями.

Эти преимущества позволяют широко использовать никель-кадмиевые аккумуляторы в транспортных, авиационных и стационарных системах. В то же время у никель-кадмиевых аккумуляторов есть такой недостаток, как эффект «памяти». Их энергопоглощение существенно снижается, когда разрядка или зарядка не завершены. Для из зарядки применяются специальные алгоритмы.

Несмотря на все перечисленные выше недостатки, никель-кадмиевые батареи считались альтернативой свинцово-кислотным батареям в электротранспорте вплоть до появления более современных и менее требовательных систем.

Однако они не смогли полностью заменить свинцово-кислотные батареи, в основном из-за высокой стоимости, трудоемкой технологии производства и дефицита кадмия и никеля.

Электрические технологии хранения электроэнергии

Суперконденсатор — это импульсное устройство, предназначенное для компенсации быстрых переходных процессов в различных электрических цепях.

Он отличается от разных типов аккумуляторных батарей значительно меньшим энергопотреблением и повышенной удельной мощностью (2-10 кВтч / кг).

Процесс накопления энергии в суперконденсаторах осуществляется за счет разделения заряда на два электрода с достаточной разностью потенциалов. Поскольку химические превращения веществ не происходят во время работы суперконденсатора (если не допускается увеличение напряжения заряда), срок службы системы велик и может превышать 100 000 циклов зарядки / разрядки.

По своим основным параметрам суперконденсаторы занимают промежуточное положение между химическими источниками питания и обычными конденсаторами.

Учитывая эти характеристики суперконденсаторов, специалисты в сфере энергетического инжиниринга рекомендуют использовать их в гибридных схемах с аккумуляторными батареями.

В этом случае суперконденсатор реагирует на кратковременные пики выработки или потребления электричества, увеличивает срок службы аккумулятора, сокращает время реакции всей системы на внешние воздействия.

Технологии хранения электрической энергии для возобновляемых источников

Растущее применение возобновляемых источников энергии в энергетическом секторе приводит к активизации усилий по модернизации электросетей, а также к увеличению использования аккумуляторных батарей.

В результате развития технологий в последние годы установленные мощности ВИЭ растут рекордными темпами.

Это особенно актуально для солнечных и ветряных электростанций.

В нижеприведенной таблице представлено изменение совокупной генерации ветряных и солнечных электростанций в разных регионах мира с 2008 по 2018 год.

В отличие от традиционных электростанций, работающих на ископаемом топливе, а также от некоторых форм производства электроэнергии из возобновляемых источников (например, энергия биомассы, гидроэнергия и геотермальная энергия), энергия ветра и солнца может поставляться только при наличии возобновляемых ресурсов.

Это делает ВИЭ менее предсказуемыми.

Эти изменения необходимо учитывать, чтобы максимально эффективно использовать возобновляемые источники энергии в системе и гарантировать постоянное соответствие между генерацией и потреблением.

Модульность — еще одна характеристика некоторых видов возобновляемой энергии, особенно фотоэлектрической и ветровой.

Это означает, что дополнительные энергетические мощности могут быть легко добавлены и введены в эксплуатацию на месте. Системы на месте, то есть в доме, офисном здании или другом коммерческом объекте, варьируют от маломощных до крупных промышленных объектов мощностью в мегаватты.

Их устанавливают на крыше (чаще всего при использовании в бытовых целях) или в непосредственной близости от торговой или промышленной площадки. Эта так называемая распределенная генерация заменяет традиционную модель подключения крупных объектов электроснабжения к конечному пользователю на больших расстояниях.

Переменный, децентрализованный характер возобновляемых источников энергии затрудняет обеспечение надежного электроснабжения.

Системные операторы обязаны строго следить за балансом между производимой и потребляемой электроэнергией, отслеживая частоту. В Европе целевая частота тока в электросети составляет 50 Гц.

Есть много объектов, которые играют важную роль в обеспечении гибкости электроэнергетической системы, включая хранилища энергии. Их использование следует оценивать индивидуально для каждой системы, принимая во внимание особенности разных частей мира. Перезаряжаемые батареи являются распространенным вариантом, но их использование не подходит для некоторых систем ВИЭ.

Перезаряжаемые батареи могут регулировать отклонения частоты в электросети и способствовать использованию переменных возобновляемых источников, сохраняя избыточную энергию для снабжения в периоды пиковых нагрузок.

Существует широкий выбор технологий хранения энергии для возобновляемых источников. Самая старая и наиболее развитая технология — так называемые гидроаккумулирующие гидроэлектростанции, которые предпочтительны для более длительных колебаний нагрузки (в течение нескольких часов). Эти установки давно доказали свои экономические и технические преимущества во всем мире.

С другой стороны, аккумуляторная батарея — это новая разработка на рынке.

К другим новым технологиям относятся хранение энергии за счет адиабатического сжатия воздуха, генераторов водорода и суперконденсаторов.

Энергия может храниться в виде тепла с использованием котлов, тепловых насосов, льда или охлажденной воды. Такие технологии можно применять для комбинированного производства тепла и электроэнергии для достижения максимального использования энергии ветра.

Хранение электроэнергии в форме тепла часто является более дешевым вариантом, чем другие, хотя преобразование тепла в электричество менее эффективно. Поэтому обычно электричество, преобразованное в тепло, позже используется как таковое для отопления, охлаждения или в промышленных процессах.

Аккумуляторные батареи для возобновляемых источников энергии

Из-за нестабильности выработки электроэнергии с помощью ветряных турбин и солнечных фотоэлектрических панелей, технологии хранения электроэнергии стали ключевым атрибутом систем электроснабжения.

Электроэнергия, накопленная в течение дня, подается аккумуляторными батареями в электросеть в ночное время или в часы пик, когда производства недостаточно для нужд потребителей.

Перезаряжаемые батареи могут быть размещены в централизованных ветровых и солнечных установках, чтобы сбалансировать неравномерное производство энергии. Они могут хранить излишки возобновляемой энергии для дальнейшего использования.

Процесс, при котором избыточная энергия передается для использования в периоды более высокой нагрузки, называется «переключением энергоснабжения».

Система накопления энергии — это не просто аккумулятор.

Ведущие мировые компании придают этому понятию иное значение.

Они предлагают пользователю более комплексное решение, которое включает в себя аккумуляторные батареи и программные решения, обеспечивающие контроль и оптимальное распределение нагрузки.

По данным US Energy Storage Monitor, 94,2% батарей, используемых для хранения энергии в Соединенных Штатах, являются литий-ионными, еще 5% приходится на проточные батареи с окислительно-восстановительным потенциалом ванадия и 0,5% рынка составляют свинцово-кислотными батареями.

Сейчас в целевом хранении электроэнергии преобладают литий-ионные батареи, устанавливаемые в домах с солнечными батареями.

С помощью новых технологий можно создать большую электрическую сеть, из которой каждый клиент будет использовать электроэнергию в соответствии со своими потребностями (на уровне счетчика).

По оценкам компаний Lazard и Enovation Partners, это снижает затраты на хранение электроэнергии с текущих 891-985 долларов за 1 МВтч до 184-338 долларов.

Аккумуляторы преобразуют электричество в химическую энергию для хранения и обратно в электричество при необходимости. Они могут выполнять разные функции на разных этапах электрической сети. С солнечными фотоэлектрическими системами и ветряными турбинами батареи могут уравновешивать генерацию и накапливать избыточную энергию для использования при более высокой нагрузке.

В настоящее время эти колебания компенсируются энергией от природного газа, атомных электростанций или угольных электростанций, но для этой технологии обычно требуется больше времени для достижения максимальной мощности.

С другой стороны, аккумуляторные батареи довольно быстро реагируют на потребности потребителя. При их использовании вместо электростанций на ископаемом топливе они значительно сокращают выбросы углекислого газа в атмосферу.

При низких отпускных ценах на электроэнергию аккумуляторные батареи могут хранить энергию некоторое время, пока цены не вырастут. В домашних условиях батареи могут накапливать энергию для использования в любое время, а также обеспечивать резервное питание домов и предприятий в чрезвычайной ситуации.

Один из таких аккумуляторов — алюминиево-воздушные батареи.

Эта технология основана на процессе плавления, используемом при производстве алюминия. Батареи изготавливаются из дешевых материалов и имеют более высокую удельную энергоемкость, чем литий-ионные элементы. С другой стороны, их нужно обслуживать вручную: пользователи должны заменять алюминиевые пластины, чтобы заряжать аккумулятор.

Еще одна технология хранения энергии для ВИЭ — так называемые проточные аккумуляторы.

Аккумуляторы мгновенного действия особенно подходят для хранения энергии на уровне сети, поскольку их легко масштабировать. Они дают электричество, прокачивая раствор электролита через элемент, поэтому увеличение их емкости связано с увеличением размера резервуаров для хранения электролита.

Стоимость систем хранения энергии резко сократилась в последние годы из-за увеличения количества их установок и повышенного интереса к ним

Поскольку активные компоненты разделены, проточные аккумуляторы безопаснее использовать в больших масштабах, чем обычные батареи. Они также быстро заряжаются и имеют длительный срок эксплуатации, но необходимые материалы, такие как электролиты с высокой энергоемкостью энергии и ионообменные мембраны, остаются дорогими.

Некоторые компании на рынке разрабатывают способы увеличения удельной энергоемкости нынешних батарей с помощью экологически чистых материалов и по более низкой цене. Но электричество — не единственный экономически эффективный вид энергии.

Исследователи также ищут более эффективные способы хранения и использования тепла в будущем.

Например, команда ученых из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) разрабатывает метод хранения тепла солнечных электростанций с использованием «сверхкритических жидкостей» или жидкостей, нагретых до высоких температур и высокого давления. Большинство солнечных электростанций, где установлены системы накопления энергии, используют специальную расплавленную соль, которая сохраняет тепло и выделяет его ночью для нагрева воды, вращающей турбину.

С помощью сверхкритических жидкостей такие электростанции могут снизить затраты на хранение энергии до 40% за счет более дешевой, простой и надежной конструкции.

Таким образом, солнечные электростанции могут обеспечивать более надежную и постоянную энергию, а также стать более конкурентоспособными по сравнению с атомными электростанциями и угольными электростанциями.

Инновационные системы накопления энергии

Батарея является лишь частью сложной системы, состоящей из нескольких основных компонентов, включая сам аккумулятор, системы управления и контроля, а также систему преобразования энергии.

Системы контроля и мониторинга гарантируют ее безопасность, максимальную производительность и надежность эксплуатации.

Система предотвращает перегрузку отдельных элементов и контролирует зарядку и разрядку аккумулятора, что важно для эффективности. Это делает выбор оборудования для контроля и мониторинга критически важным при реализации крупных проектов в области энергетического инжиниринга.

В случае литий-ионных аккумуляторов это оборудование должно следить за температурой, поскольку они имеют тенденцию к перегреву. При выходе на рынок многих новых устройств система хранения энергии также подключается к инвертору, чтобы предоставить законченный, полностью интегрированный продукт.

Децентрализованные решения на основе аккумуляторов

Электрификация островов и изолированных сельских районов — это вызов и в то же время уникальная возможность для интеграции ВЭИ.

Некоторые удаленные районы полагаются на дизельные генераторы, но этот вид производства энергии является дорогостоящим и производит большое количество вредных выбросов.

Удаленность и отсутствие инфраструктуры означают, что регулярные поставки дизельного топлива — дело дорогое и рискованное. В то же время дизельные генераторы считаются наиболее доступным и экономичным решением для производства энергии в отдаленных районах, поскольку они гибко реагируют на переменную нагрузку.

Тем не менее, изолированные потребители имеют отличную возможность попробовать аккумуляторные батареи. Эту технологию хранения энергии можно использовать для интеграции возобновляемых источников энергии, снижения зависимости от дизельного топлива и газа, а в некоторых случаях и для снижения затрат.

В некоторых удаленных районах действуют «микросети» со слабыми сетевыми связями и недостаточно гибкими источниками энергии.

Эти объекты выиграют от накопления энергии для более надежного использования местных ветряных и солнечных электростанций.

Хранение электроэнергии в домашних условиях

Аккумуляторы позволяют использовать большее количество возобновляемой энергии для бытовых нужд. Они могут преодолеть ограничения, связанные с пропускной способностью местной электросети, поскольку они могут эффективно распределять накопленную электроэнергию в период естественного снижения генерации.

Привлекательность использования аккумуляторных батарей в жилых домах зависит от соответствия времени пиковой выработки и потребления солнечной энергии.

В некоторых странах Персидского залива, например, инженерам приходится учитывать кондиционирование воздуха в жаркие периоды.

Кроме того, пиковое потребление для некоторых домохозяйств приходится на дневное время. Поэтому оптимальные способы зарядки и разрядки отличаются в зависимости от конкретной системы электроснабжения и района, домохозяйства, а также периода года.

Роль новых технологий в энергетическом инжиниринге

Первоначально поддержанные государственными субсидиями и исследовательскими и демонстрационными программами, многие технические проблемы в сфере накопления и хранения электрической энергии постепенно решаются.

Повышение информированности о последних достижениях в энергетическом инжиниринге способствует росту спроса на аккумуляторы новых типов и другие технические решения для возобновляемых источников энергии.

Низкая стоимость позволяет перезаряжаемым батареям становиться все более конкурентоспособными на рынке.

Стоимость систем хранения энергии резко сократилась в последние годы из-за увеличения количества их установок и повышенного интереса к ним.

Все эти факторы будут и дальше способствовать беспрецедентному использованию аккумуляторных батарей в электрических сетях.

Испанская компания ESFC готова оказать вам профессиональные услуги, связанные с финансированием возобновляемых источников энергии.

Обратитесь к нашим специалистам, чтобы получить необходимую консультацию.

После получения необходимых документов: формы заявки и презентации проекта — наши специалисты постараются в кратчайшие сроки рассмотреть Ваше обращение, а эксперты предложат оптимальные варианты финансирования.

T y
проверьте Себя: 1. От чего зависит количество электрической энергии, которую несёт электрической ток? 2. Как получают электрическую знергию с помощью энергии химических реакций? 3. Как работает водородно-кислородный топливный элемент? 4. можно преобразовать электрическую энергию? *5. Как с помощью супермаховика можно запасти электрическую энергию?

CrisPPy

Электрического тока зависит от заряда, который проходит по цепи в период времени — 1 секунду.

Химический источник тока (аббр. ХИТ) — источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

Он работает при обычных или слегка повышенных температурах с применением водных электролитов.

Механическую энергию можно преобразовать в энергию электрическую.

Супермаховик — это инерционный накопитель. Запасенную в нем кинетическую энергию движения можно преобразовать в электричество с помощью динамо-машины. Когда возникает потребность в электричестве, конструкция вырабатывает электрическую энергию за счет замедления маховика.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *