Механический аккумулятор электрической энергии. Альтернативные источники энергии. Аккумуляторы энергии сжатого газа

Страница 10 из 23

Все рассмотренные выше НЭ имели электромеханическое устройство управления, что обусловливало их невысокую маневренность.

Рис. 2.7. Схемы подключения НЭЭ:
а - шунтовая; б - линейная
Накопители электрической энергии (НЭЭ) соединяются с ЭЭС посредством управляемого вентильного преобразователя*, время реверса мощности которого составляет 0,01 с, что определяет их высокую маневренность, а следовательно, возможность комплексного использования в ЭЭС.

*Так как накопление электрической энергии возможно только при постоянном токе.

К накопителям электрической энергии относятся:
топливные элементы (ТЭ);
электрохимические аккумуляторные батареи (ЭАБ);
сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН);
емкостные накопители (ЕН).
Существует два способа подключения НЭЭ к энергосистеме- шунтовой и линейный, соответствующие им схемы приведены на рис. 2.7, а, б.
Рассмотрим подробнее блоки накопителей электрической энергии.

Устройство управления НЭЭ.

Оно может быть выполнено по трехфазной мостовой схеме, имеющей высокие технические показатели и хорошо зарекомендовавшей себя при эксплуатации существующих преобразователей большой мощности. Число мостов в устройстве управления НЭЭ определяется как реально выполнимой мощностью тиристорного моста, так и режимными соображениями, рассматриваемыми ниже.


Рис. 2.8. Схема последовательного включения модулей 12-пульсных преобразователей, составляющих УУ:
1 - аккумулирующий элемент; 2 - выключатель; 3- междуфазный реактор; 4 - преобразовательный мост; 5- трансформатор; 6 - трехфазная сеть
Каждый мост присоединен к сети переменного тока через отдельный трансформатор. С целью обеспечения 12-пульсного режима преобразования, обладающего рядом преимуществ по сравнению с шестипульсным (меньше пульсации постоянного напряжения, лучше гармонический состав переменного напряжения и др.), вторичные обмотки одной половины трансформаторов соединены в «треугольник», а другой- в «звезду» (рис. 2.8).
Для увеличения коэффициента мощности НЭЭ, определяемого углами регулирования и коммутации преобразовательного устройства, а также степенью искажения формы кривой переменного напряжения, к шинам переменного тока станции подключаются различные компенсирующие устройства - синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы, фильтрокомпенсирующие устройства. Потребление реактивной мощности может быть уменьшено путем разделения преобразователя на ряд последовательно включенных модулей.

В процессе работы углы управления всех модулей, кроме одного, поддерживаются равными 0°. Один из них имеет угол, определяющийся требуемым напряжением. Все модули, имеющие нулевой угол, требуют лишь минимальной реактивной мощности - для коммутации.
На рис. 2.8 показана возможная схема преобразователя, выполненного в целях уменьшения потребления реактивной мощности. Преобразователь представляет собой последовательное соединение 12-пульсных модулей, содержащих силовые трансформаторы. Каждый модуль рассчитан на 4,5 кВ и состоит из двух 6-пульсных мостов, соединенных параллельно с междуфазным реактором, уравновешивающим ток. Два модуля имеют значения тока 50 кА, два других - 30 и 20 кА. Например, при максимальном токе АЭ накопителя каждый 6-пульсный мост обеспечивает постоянный ток 25 кА. Если 12-пульсный модуль закоротить механическим выключателем при нулевом значении напряжения и затем отключить его от трехфазной сети, улучшится полный КПД преобразователя, так как на четырех последовательно соединенных тиристорах устранится падение прямого напряжения.
Значение выдаваемой активной мощности НЭЭ должно во всех режимах его работы определяться системными требованиями и не зависеть от изменяющегося напряжения на самом АЭ. Один из способов обеспечения выполнения этого условия - регулирование углов управления вентилей. Применение управляемых преобразователей в в качестве связующего звена между АЭ и сетью переменного тока позволяет за счет соответствующего изменения углов включения вентилей в течение цикла заряда- разряда НЭЭ осуществить практически любой закон регулирования мощности. При этом мощность на шинах переменного напряжения будет зависеть от соотношения между напряжением на АЭ и противо-ЭДС преобразователя, определяемой значением углов управления. Однако этот способ управления имеет ряд ограничений. Поскольку мощность преобразовательного устройства НЭЭ может достигать нескольких сотен мегаватт, плечи мостов должны собираться из последовательно-параллельно включенных вентилей. С целью ограничения перенапряжений параллельно к ним необходимо подключать активно-емкостные демпфирующие цепочки. При глубоком регулировании преобразователей на плечах моста и его отдельных вентилях появляются скачки обратного напряжения. Необходимые для их ограничения параметры демпфирующих цепочек становятся, неприемлемыми из-за потерь мощности в них. При применении других защитных устройств (например, лавинных диодов) данная проблема остается. Использование тиристоров в мощных преобразовательных установках еще больше увеличивает число вентилей в плечах моста и предъявляет более жесткие требования к устройствам их защиты.


Рис. 2.9. Схема переключения преобразователей УУ


Рис. 2.10. Внешняя характеристика преобразователя
С другой стороны, при глубоком симметричном регулировании за счет фазового сдвига тока относительно напряжения на шинах станции преобладает реактивная составляющая мощности.

Для ее компенсации требуется неприемлемо большая мощность компенсирующих устройств (в пределе равная мощности станции). Эти обстоятельства затрудняют возможность регулирования,в широких пределах углов управления. Увеличить их значения можно за счет применения поочередного управления преобразователей, при котором одна часть мостов работает в выпрямительном режиме, а другая - в инверторном. При таком несимметричном законе управления можно расширить предел регулирования выходного напряжения преобразователя при приемлемом коэффициенте мощности станции. Однако полностью возложить функцию управления НЭЭ на регулирование углов включения вентилей, видимо, нельзя. Его целесообразно сочетать с другими способами обеспечения независимости мощности на шинах НЭЭ от напряжения на АЭ.
На рис. 2.9 изображена схема УУ НЭЭ (для случая, когда преобразовательное устройство станции состоит из двух мостов), позволяющая изменить противо-ЭДС преобразователя (в зависимости от напряжения на АЭ) за счет переключения мостов из параллельного соединения в последовательное при заряде НЭЭ и, наоборот, при его разряде. Она применима для любого числа преобразовательных мостов на станции. Анод каждого моста должен соединяться через коммутационные аппараты с анодом и катодом предыдущего по ходу тока моста и анодом последующего, а катод - с анодом и катодом следующего по ходу тока моста и катодом предыдущего.
Рассмотрим работу НЭЭ в режиме инвертирования, так как именно в нем важно обеспечить независимость мощности на шинах накопителя от напряжения на АЭ.
Рассмотрим внешнюю характеристику преобразователя для случая, когда значение активной мощности на шинах переменного напряжения поддерживается близким к постоянному. В начальный момент (при максимальном напряжении АЭ) преобразователь работает с последовательно соединенными мостами. Поддерживание заданного тока разряда обеспечивается за счет регулирования углов управления инвертора (точки 1-2 на рис. 2.10). В момент уменьшения напряжения на АЭ до значения, при котором возможно поддерживание данного значения тока за счет работы одного моста (точка 2), производят переключение мостов из последовательного соединения в параллельное, что соответствует переходу с точки 2 внешней характеристики преобразователей на точку 3. При этом токи, протекающие через преобразовательные мосты, а следовательно, ток и мощность станции на шинах переменного напряжения не изменяются, так как первичные обмотки трансформаторов соединены параллельно. Положение точки 4 определяется процентом недоиспользования АЭ.
Суммарное число мостов станции должно определяться допустимым пределом регулирования углов управления вентилей и задаваемым коэффициентом использования АЭ. Схема (см. рис. 2.9) построена так, что в режиме инвертирования при переключениях станции не отключаются от ЭЭС и коммутационные аппараты не обрывают рабочий постоянный ток. Поэтому их изготовление не вызовет дополнительных трудностей. Кратковременные перегрузки мостов при переключениях не превосходят допустимые для преобразователей передачи постоянного тока.
Описанная схема в сочетании с регулированием углов управления вентилями позволяет поддерживать требуемую активную мощность, выдаваемую станцией, вплоть до полного разряда АЭ без перерыва энергоснабжения. При ее помощи можно обеспечить независимость потребляемой активной мощности от напряжения на АЭ и в режиме его заряда (при работе мостов в режиме выпрямителя), но с отключением станции от ЭЭС на время перекоммутаций.
Другой способ регулирования мощности НЭЭ - подключение АЭ к преобразователю станции по частям. Для этого АЭ необходимо разбить на секции, каждая из которых подключается независимо друг от друга к шинам постоянного напряжения преобразовательного устройства. При этом мощность станции колеблется около заданного среднего значения; полностью заряженные или разряженные секции необходимо отключать от преобразователя перед очередным подключением. Достаточно мелкое дробление АЭ на секции в сочетании с регулированием углов управления преобразователя позволит уменьшить до допустимого уровня неравномерность изменения активной мощности АЭ в течение цикла работы.
Другие известные способы регулирования цепей заряда- разряда конденсаторных батарей (использование трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой, переключение конденсаторов батареи из последовательного соединения в параллельное и наоборот, подключение преобразователей к сети переменного тока через индуктивно-емкостные статические преобразователи, использование в качестве преобразовательных устройств компенсированных преобразователей с искусственной коммутацией тока вентилей и т. д.) требуют специального рассмотрения.
Таким образом, НЭЭ с устройством управления на базе 12-пульсного преобразователя при применении рассмотренных выше способов будет отвечать всем требованиям, предъявляемым к источникам пиковой мощности в ЭЭС.
Перейдем теперь к рассмотрению возможных типов аккумулирующих устройств для НЭЭ.
Электрохимические накопители энергии. Электрохимические накопители энергии или электрохимические аккумуляторные батареи - один из самых распространенных типов накопителей.
Электрохимическая аккумуляторная батарея (ЭАБ) состоит из многих элементов, соединенных последовательно и параллельно. Заряд ее происходит во внепиковые часы, а разряд -в часы пиков нагрузки. В процессе заряда электроэнергия электрохимическим путем преобразуется в химическую. При разряде накопленная энергия высвобождается в процессе обратной реакции. Проделана большая работа по совершенствованию ЭАБ. Оказалось, что свинцовые аккумуляторы можно применять и в ЭЭС. Однако стоимость таких элементов высока. Новые типы аккумуляторов основаны на использовании химических реакций таких материалов, как цинк, сера, натрий и т. д., имеющихся в достаточном количестве и являющихся сравнительно дешевыми. Испытания хлор-цинковых аккумуляторов, работающих при низких температурах, дают обнадеживающие результаты. Из аккумуляторов, требующих для работы более высоких температур, можно упомянуть натрий-серные и литий-серные. Особенно успешно ведутся лабораторные испытания натрий-серных ЭАБ.
Характеристики перспективных типов аккумуляторов для выравнивания пиков нагрузки приведены в табл. 2.3.
Электрохимические аккумуляторные батареи имеют КПД, достигающий 65-70%. Ожидается, что перспективные аккумуляторы будут иметь срок службы около 20 лет при удельных капиталовложениях в установку порядка 150 долл/кВт и удельной энергоемкости 250 кВт-ч/м3.
Недостатки ЭАБ - ограниченное число зарядно-разрядных циклов (не более 500), малое время хранения энергии и отрицательное экологическое воздействие.
Таблица 2.3

Материал, используемый в качестве катода, анода	Электролит	Температура, °С	Возможная плотность энергии, Вт-ч/кг	Возможная плотность мощности, Вт/кг
Оксид свинца
Цинк - хлор	Водный раствор
Натрий - сера
Литий - сера

Концепции рационального расхода энергии становятся все более актуальными на общем фоне технологического развития. Связано это с тем, что энергоэффективность как таковая перешла из разряда дополнительных и зачастую эксклюзивных свойств в ранг одной из ключевых потребительских характеристик продукта. Достаточно вспомнить простейшие аккумуляторы, которые используются в цифровой технике, электрооборудовании, оснащении силового инструмента и т. д. Существуют и более масштабные сферы применения аккумулирующих энергию систем, для которых особенно важна экономность энергопотребления. И этот запрос находит отклик у специализированных производителей, которые выпускают накопители энергии с улучшенными эксплуатационными качествами.

Общие сведения об энергетических накопителях

В природе немало постоянных и неисчерпаемых источников энергии, которая и применяется для обслуживания различных потребностей человечества. Но для конечного ее использования она должна пройти много этапов переработки и аккумуляции. Эту функцию выполняют энергостанции и подстанции. В список их непосредственных задач входит генерация энергии с приемлемыми для использования характеристиками, а также ее преобразование и распределение. Основная инфраструктура энергообеспечения жилых домов, объектов промышленности, инженерного оборудования и других ответственных потребителей реализуется через стационарные электросети. В них осуществляется постоянное снабжение, но сегодня стабильно растет спрос на автономное оборудование, устройства и электроприборы. Специально для таких потребителей используется емкостной накопитель энергии, который является независимым но условно - с определенными интервалами он должен и сам заряжаться от тех же стационарных сетей. Простейшим примером такого накопителя является телефонная батарея. К примеру, элемент Li-Ion может иметь емкость порядка 2000-3000 мАч. Ее будет достаточно на несколько часов или дней автономной работы обслуживаемого устройства в зависимости от его модели. Но после исчерпания этого объема аккумулятор должен подключаться к розетке на 220 В для восстановления.

Механические накопители

Данная категория накопителей имеет самую долгую историю существования. Для иллюстрации таких устройств можно привести в пример гравитационные системы. Сегодня уже почти не используются, но прежде были широко распространены подъемно-поворотные ворота с противовесами. В них используется энергия груза, которая аккумулируется и в нужный момент возвращается в той или иной форме - это зависит от конструкционного исполнения накопителя. Помимо обычных грузов, в качестве активного аккумулирующего элемента выступает и жидкость. К достоинствам таких систем можно отнести конструкционную гибкость. Инженеры могли использовать разветвленные сети трубопроводов, проходя через которые вода отдавала энергию сопряженным резервуарам. В наше время подобные накопители энергии представлены в виде гидроаккумулирующих станций. Правда, жидкостные накапливающие устройства характеризуются небольшим временем хранения, так как вода испаряется и требует регулярного обновления.

Кинетические накопители

Эту группу в основном представляют колебательные механизмы, в которых процесс аккумуляции реализуется через возвратно-поступательные, вращательные или линейные движения того же груза. Особенностью таких конструкций является то, что при необходимости возврат энергии будет осуществляться так же не беспрерывно, а порциями - тактами. Классическим примером кинетического накопителя являются механические часы. В данном случае «заряд» производится посредством завода механизма, после чего следует постепенная отдача энергии от пружинного маятника. Более современную интерпретацию кинетических механизмов представляет гироскопический аккумулятор. Накопитель энергии в этом случае базируется на вращающемся маховике с ударной функцией. Такие системы находят применение в гидравлической и пневматической технике.

Тепловые накопители

С технологической точки зрения это простейший пример аккумуляции энергии, с процессами которого человек встречается повсюду. Нагретый под прямыми лучами солнца металлический забор уже становится аккумулятором тепла, так как сохраняет его в своей структуре. Также и другие материалы могут выступать накопителями тепла. Эффективность их работы в этом качестве будет зависеть от удельной и объемной теплоемкости. К примеру, теплоемкость воды составляет 4,2 кДж, а у стали она небольшая - лишь 0,46 кДж. И все же когда речь идет о целенаправленной аккумуляции, то чаще используют металлические накопители тепловой энергии или масляные. Это решение оправдано стремлением к оптимизации конструкции. Современные конвекторы и радиаторы преимущественно изготавливаются из стали и алюминия. Опять же, некоторые модели наполняются более выгодными в показателях удержания тепловой энергии материалами.

Электрические накопители энергии

Самый массовый вид энергии - электричество. Поэтому данная категория развивается наиболее активно, предлагая все новые и более совершенные решения. На данный момент самым распространенным аккумулятором электроэнергии является радиотехнический конденсатор. Он характеризуется высокой скоростью отдачи и накопления энергии, не ограничивая рабочие процессы окружающими условиями. Например, большинство моделей могут использоваться в условиях повышенных или крайне низких температур. И опять же, в целях оптимизации электрические накопители энергии наполняются специальными электролитическими элементами с высокой удельной емкостью.

Химические накопители

В процессе работы таких накопителей происходит химическая реакция. Источником энергии в данном случае будет сама организация условий для этой реакции и обеспечение активности задействованных компонентов. Причем на выходе может образовываться энергия разных типов. Например, из воды может выделяться водород в ходе прямого электролиза. Чаще всего при таких способах накопления выделяется именно топливо. Оно может быть преобразовано внутри комплекса обеспечения химической реакции или же передаваться потребителю в первоначальном виде. Поэтому накопители энергии могут выступать и преобразователями, хотя подобное расширение функций технически усложняет систему.

Электрохимические накопители

Этот вид накопителей, как видно из названия, является комбинированным или гибридным. Поскольку химические реакции отличаются высокой степенью эффективности и дешевизной, их логично объединили с задачей выработки наиболее востребованного типа энергии - электричеством. Активным элементом в таких устройствах выступает электролит. В частности, накопитель энергии для телефона обычно изготавливается на основе литий-ионных или литий-полимерных элементов. Это же касается аккумуляторных блоков для электроинструмента. По характеристикам это вполне выгодные элементы питания, отличающиеся достойной производительностью, высокой емкостью и небольшими размерами. Но электрохимические батареи имеют ограниченное число циклов заряда-разряда, в чем и заключается их главный минус.

Современные решения

Передовые компании, занимающиеся разработкой высоких технологий, продвигают и направление емкостных аккумуляторов. Так, например, инженеры Tesla создали блок Powerwall 2 массой 122 кг, основанный на тех же литий-ионных батареях. Данная установка является модульной и способна хранить порядка 13,5 кВт*ч. Аналогичные разработки предлагает LG. Например, система Chem RESU вмещает порядка 10 кВт*ч, но в остальных эксплуатационных качествах не уступает блоку Tesla. Данный аккумулятор является универсальным накопителем энергии, который можно использовать как в быту, так и в промышленности на производствах. Главное, чтобы мощности соответствовали требованиям к потребляющим системам.

Заключение

В сегменте энергетических накопителей также выделяются разные направления технологического развития. Объединяются они лишь одним - соответствием требованиям конечных потребителей. К примеру, накопители электрической энергии для малогабаритной аппаратуры и оборудования должны отвечать требованиям надежности и безотказности. Широкий рынок цифровой техники скорее ориентирован на компактные размеры накопителей и повышение их емкости. Очевидно, что совместить в одном устройстве все перечисленные качества непросто, поэтому разработчики все же стремятся изначально ориентировать свою продукцию на конкретные области применения.

На период отключения сети или ее поломки широко используются накопители электрической энергии для дома. Они устанавливаются, преимущественно, в частных домах и постоянно находятся в состоянии подключения. Это позволяет в течение довольно продолжительного времени получать электроэнергию, достаточную для освещения и других неотложных бытовых нужд.

Как правило, данные приборы используются при вырабатывании электричества нетрадиционными способами. В таких случаях, случаются перебои в его подаче, и накопители успешно компенсируют временное отсутствие энергии. По своей сути, это аккумуляторы, способные заряжаться и разряжаться.

Устройство накопителей

Однако, накопители электроэнергии выполняют функции, более широкие, чем у обычного аккумулятора. Они являются комплексными, интегрированными конструкциями, способными не только накапливать энергию, но и ее, делая пригодной для дальнейшего использования.

Данные устройства занимают одно из ведущих мест на рынке альтернативных энергетических приборов. Их основой служат литиевые аккумуляторы. Они состоят из зарядного устройства или контроллера заряда, преобразователя напряжения () и системы управления. Конструкция накопителей позволяет заменить большое количество оборудования для аварийных систем и в альтернативном электроснабжении. Большинство моделей рассчитаны на работу не только от стационарной сети, но и от солнечных батарей. Их средняя выходная мощность составляет 5 киловатт. Для нормальной работы прибор достаточно просто подключить к сети.

Применение накопителей электроэнергии

Чаще всего, накопители электрической энергии для дома применяются в индивидуальных домашних хозяйствах. Прежде всего, они служат основными источниками питания при аварийных ситуациях и централизованных отключениях электрических сетей. С помощью этих приборов можно добавить мощность для индивидуального энергетического хозяйства в период проседаний нагрузок в часы пик в общих распределительных сетей. Очень часто, накопитель электрической энергии, устанавливаемый дома или на даче, позволяет в значительной степени повысить качество энергоснабжения.

В настоящее время, многие потребители используют дорогостоящую бытовую аппаратуру и технику. Скачки напряжения нередко вызывают ее поломку и отказ. При использовании накопителей удается избежать большого количества проблем. Создается стабильное напряжение, обеспечивающее устойчивую работу электроприборов. Отпадает необходимость в кратковременных включениях генератора. Появляется возможность использовать тарифы с различными ставками.

Цепочка технологического цикла производства электроэнергии с необходимостью включает такое звено, как накопитель (аккумулятор). В традиционных способах генерации электроэнергии энергетические запасы накапливаются в предварительном, «не электрическом» виде, и это звено – накопитель энергии, находится непосредственно перед электрогенератором.

Водохранилище гидроэлектростанции призвано накапливать потенциальную энергию речной воды в гравитационном поле Земли, поднимая ее на некоторую высоту при помощи плотины. Тепловая электростанция аккумулирует в своих хранилищах необходимые для бесперебойной работы запасы твердого или жидкого топлива, либо осуществляет поставку по трубопроводу природного газа, теплотворная способность которого гарантирует требуемый запас энергии. Стержни реакторов атомных электростанций представляют собой запас ядерного топлива, обладающего определенным ресурсом доступной для использования ядерной энергии.

Режим постоянной мощности доступен для всех приведенных типов генераторов электроэнергии. Количество производимой энергии регулируется при этом в широких пределах в зависимости от уровня насущного энергопотребления. Альтернативные источники (энергия ветра, приливов, геотермальных источников, солнечная энергия) не могут обеспечить гарантированную постоянную мощность генератора на требуемом в данный момент уровне. Накопитель, поэтому, является здесь не столько хранилищем ресурсов, сколько демпфирующим устройством, делающим энергопотребление менее зависимым от колебаний мощности источника. Энергия источника аккумулируется в накопителе, а позже расходуется, по мере надобности, в виде электрической энергии. При этом ее цена во многом зависит от стоимости накопителя.

Характерной чертой накопителя в альтернативных источниках энергии является еще и то, что аккумулированная в нем энергия может расходоваться на другие цели. Так, например, при их помощи могут быть генерированы сильные и сверхсильные магнитные поля.

Принятые в физике и энергетике единицы измерения энергии и соотношения между ними: 1 кВт ч, или 1000 Вт 3600 с – то же, что и 3.6 МДж. Соответственно 1 МДж эквивалентен 1/3,6 кВт ч, или 0.278 кВт ч

Некоторые распространенные накопители энергии:

Сразу оговоримся: приведенный обзор - не полная классификация применяемых в энергетике накопителей, помимо рассматриваемых здесь существуют тепловые, пружинные, индукционные, многообразные иные типы накопителей энергии.

1. Накопитель конденсаторного типа

Энергия, запасенная конденсатором емкостью 1 Ф при напряжении 220 В, составляет: E = CU2 /2 = 1 2202 /2 кДж = 24 200 Дж = 0,0242 МДж ~ 6.73 Вт ч. Масса одного такого электролитического конденсатора может достигать 120 кг. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной чуть более 0,2 кДж/кг. Часовая работа накопителя возможна при нагрузке в пределах 7 Вт. Электролитические конденсаторы могут прослужить до 20 лет. Ионисторы (суперконденсаторы) имеют большую плотность энергии и мощности (порядка 13 Вт ч /л = 46,8 кДж/л и до 6 кВт/л соответственно) , при ресурсе около 1 млн. циклов подзарядки. Неоспоримым достоинством конденсаторного накопителя является возможность использования аккумулированной энергии за краткий промежуток времени.

2. Накопители гравитационного типа

Накопители энергии копрового типа запасают энергию при подъеме бабы копра массой 2т и более на высоту около 4 м. Движение подвижной части копра высвобождает потенциальную энергию тела, сообщая ее электрогенератору. Количество произведенной энергии E = mgh в идеальном случае (без учета потерь на трение) составит ~ 2000 10 4 кДж = 80 кДж ~ 22,24 Вт ч. Приходящаяся на единицу массы бабы копра удельная энергия оказывается равной 0.04 кДж/кг. В течение часа накопитель способен обеспечить нагрузку до 22 Вт. Ожидаемый срок службы механической конструкции превосходит 20 лет. Накопленная телом в гравитационном поле энергия также может быть израсходована в короткий промежуток времени, что является достоинством данного варианта.

Гидравлический накопитель использует энергию воды (массой порядка 8-10 т) накачанной из колодца в емкость водонапорной башни. В обратном движении под действием силы тяжести вода вращает турбину электрогенератора. Обычный вакуумный насос без проблем позволяет закачать воду на высоту до 10 м. Запасенная при этом энергия E = mgh ~ 10000 8 10 Дж = 0,8 МДж = 0.223 кВт час. Приходящаяся на единицу массы удельная энергия оказывается равной 0.08 кДж/кг. Нагрузка, обеспечиваемая накопителем в течение часа, находится в пределах 225 Вт. Накопитель может прослужить от 20 лет и дольше. Ветряной двигатель может напрямую приводить в действие насос (без преобразования энергии в электрическую, что сопряжено с определенными потерями), вода в емкости вышки при необходимости может быть использована в иных нуждах.

3. Накопитель на основе маховика

Кинетическая энергия вращающегося маховика определяется следующим образом: E = J w2/2, под J подразумевается собственный момент инерции металлического цилиндра (так как он вращается вокруг оси симметрии), w – угловая скорость вращения.

При радиусе R и высоте H цилиндр имеет момент инерции:

J = M R^2 /2 = pi * p R^4 H/2

где p - плотность металла - материала цилиндра, произведение pi* R^2 H – его объем.

Максимально возможная линейная скорость точек поверхности цилиндра Vmax (составляет порядка 200 м/с для стального маховика).

Vmax = wmax*R, откуда wmax = Vmax/R

Максимально возможная энергия вращения Emax = J wmax^2/2 = 0.25 pi*p R2^2 H V2max = 0.25 M Vmax^2

Приходящаяся на единицу массы энергия составляет: Emax/M = 0.25 Vmax^2

Удельная энергия в случае, если цилиндрический маховик сделан из стали, составит около 10 кДж/кг. Маховик массой 200 кг (с линейными размерами H = 0.2 м, R = 0.2 м) запасает энергию Emax = 0.25 pi 8000 0.22 0.2 2002 ~ 2 МДж ~ 0.556 кВт ч. Максимальная нагрузка, обеспечиваемая накопителем-маховиком в течение часа не превосходит 560 Вт. Маховик вполне может прослужить 20 лет и более. Достоинства: быстрое высвобождение накопленной энергиии, возможность значительного улучшения характеристик путем подбора материала и изменения геометрических характеристик маховика.

4. Накопитель в виде химической аккумуляторной батареи (свинцово-кислотной)

Классическая аккумуляторная батарея, имея емкость 190 А ч при напряжении на выходе 12 В и 50 % разрядке способна выдавать ток порядка 10 А в течение 9 часов. Высвобождаемая энергия составит 10 А 12 В 9 ч = 1.08 кВт ч, или, приблизительно, 3.9 МДж за один цикл. Приняв массу батареи равной 65 кг, имеем удельную энергию 60 кДж/кг. Максимальная нагрузка, которую аккумулятор способен обеспечивать в течение часа не превосходит 1080 Вт. Гарантийный срок службы для качественной аккумуляторной батареи находится в пределах 3 - 5 лет, в зависимости от интенсивности эксплуатации. От аккумуляторной батареи возможно непосредственно получать электроэнергию с выходным током, достигающим тысячи ампер, при выходном напряжении 12 В, соответствующем автомобильному стандарту. С аккумулятором совместимы множество устройств, рассчитанных на постоянное напряжение 12 В, доступны преобразователи 12/220 В различные по мощности на выходе.

5. Накопитель пневматического типа

Воздух, закачанный в резервуар из стали объемом 1 кубометр до давления 40 атмосфер, совершает работу в условиях изотермического расширения. Работа A, совершаемая идеальным газом в условиях T=const, определяется согласно формуле:

A = (M / mu) R T ln (V2 / V1)

Здесь M - масса газа, mu – масса 1 моля того же газа, R = 8,31 Дж/(моль К), T - температура, рассчитанная по абсолютной шкале Кельвина,V1 и V2- начальный и конечный объем, занимаемый газом (при этом V2 / V1 = 40 при расширении до атмосферного давления внутри резервуара). Для изотермического расширения справедлив закон Бойля-Мариотта: P1V1 = P2 V2 . Примем T = 298 0K (250С) Для воздуха M / mu ~ 40: 0.0224 = 1785,6 молей вещества, газ совершает работу А= 1785,6 8.31 298 ln 50 ~ 16 МДж ~ 4.45 кВт ч за цикл. Стенки резервуара, рассчитанные на давление в 40-50 атмосфер, должны иметь толщину как минимум 5 мм, в связи с чем масса накопителя окажется порядка 250 кг. Запасенная данным пневматическим накопителем удельная энергия окажется равной 64 кДж/кг. Предельная мощность, обеспечиваемая пневматическим накопителем в течение часа работы, составит 4,5 кВт. Гарантированный срок службы, как и у большинства накопителей, основанных на выполнении механической работы их конструктивными частями, составляет от 20 лет. Преимущества данного типа накопителя: возможность расположения резервуара под землей; резервуаром может служить стандартный газовый баллон с использованием соответствующего оборудования, ветродвигатель способен непосредственно передавать движение насосу компрессора. Кроме того, многие устройства напрямую используют аккумулированную энергию сжатого в резервуаре воздуха.

Приведем параметры рассмотренных типов накопителей энергии в сводной таблице:

Тип накопителя энергии	Расчетные рабочие характеристики	Величина запасенной энергия, кДж	Удельная энергия (на единицу массы устройста), кДж/кг	Предельная нагрузка при работе накопителя в течении часа, Вт	Ожидаемый срок службы, в годах
Конденсаторного типа	емкость батареи 1 Ф, напряжение 220 В, масса 120 кг	24,2			в пределах 20
Копрового типа	масса бабы копра 2000 кг, максимальный подъем 4 м		0.04		не менее 20
Гравитационный гидравлического типа	масса жидкости 8000 кг, разница в высотах 10 м		0.08		не менее 20
Маховик	цилиндрический маховик из стали массой 200 кг, радиус 0,2 м, толщина 0,2 м	2000			не менее 20
Аккумулятор свинцово-кислотный	емкость батареи 190 А · час, напряжение на выходе12 В, масса батареи 60 кг	3900		1080	минимум 3 максимум 5
Пневматического типа	резервуар из стали емкостью 1 м 3 , масса резервуара 2,5ц давление сжатого воздуха 40 атмосфер	16000		4500	не менее 20

Механическим накопителем (МН), или аккумулятором ме­ханической энергии, называется устройство для запасания и хранения кинетической или потенциальной энергии с по­следующей отдачей ее для совершения полезной работы.

Как и для любого вида накопителей энергии (НЭ), харак­терными режимами работы МН являются заряд (накопление) и разряд (отдача энергии). Хранение энергии служит проме­жуточным режимом МН. В зарядном режиме к МН подводится механическая энергия от внешнего источника, причем конк­ретная техническая реализация источника энергии определяется типом МН. При разряде МН основная часть запасенной им энергии передается потребителю. Некоторая часть накопленной энергии расходуется на компенсацию потерь, имеющих место в разрядном режиме, а в большинстве видов МН - и в режимах хранения.

Поскольку в ряде накопительных установок время заряД3 может намного превосходить время разряда (г3»гр), ^ возможно существенное превышение среднеразрядяой мой" ности Р Р над средней мощностью Р3 заряда МН. Таким образом, в МН накапливать энергию допустимо с помощью сравнительно маломощных источников.

Основные разновидности МН подразделяются на статичес­кие, динамические и комбинированные устройства.

Статические МН запасают потенциальную энергию посред­ством упругого изменения формы или объема рабочего тела либо при его перемещении против направления силы тяжести в гравитационном поле. Твердое, жидкостное или газообразное рабочее тело этих МН имеет статическое состояние в режиме хранения энергии, а заряд и разряд НЭ сопровождаются движением рабочего тела.

Динамические МН аккумулируют кинетическую энергию преимущественно во вращающихся массах твердых тел. Усло­вно - к динамическим МН можно отнести также накопительные- устройства ускорителей заряженных элементарных частиц, в которых запасается кинетическая энергия электронов или протонов, циклически движущихся по замкнутым траекториям.

Комбинированные МН запасают одновременно кинетическую и потенциальную энергию. Примером комбинированного МН может служить супермаховик из высокопрочного волокнистого материала, имеющего относительно малый модуль упругости. При вращении данного МН в нем наряду с кинетической энергией запасается потенциальная энергия упругой дефор­мации. При извлечении накопленной энергии из такого МН достигается использование обоих ее видов.

По уровню удельной накопленной энергии, приходящейся на единицу массы или объема аккумулирующего элемента, динамические инерционные МН существенно превосходят не­которые другие разновидности НЭ (например, индуктивные и емкостные накопители). Поэтому МН представляют большой практический интерес для многообразных применений в раз­личных отраслях техники и научных исследований.

Отдельные виды МН нашли к настоящему времени круп­номасштабное применение в электроэнергетике, например гид - Роаккумулирующие установки электрических станций. Зарядно - Разрядный цикл их работы достигает десятков часов.

Для инерционных МН характерны кратковременные раз- Рядные режимы. Отбор энергии от МН сопровождается Уменьшением угловой скорости маховика до допустимого Уровня. В отдельных случаях торможение может происходить вплоть до полной остановки маховика. Возможны «ударные» Разряды, отличающиеся одноразовым или циклическим от­бором запасенной энергии, причем вследствие большого ки­нетического момента и малого времени разряда МН снижение Угловой скорости его ротора относительно невелико, хотя 0тДаваемая мощность может достигать достаточно высоких значений. В таком режиме МН особые требования предъяв­ляются к обеспечению прочности вала. Под воздействием крутящего момента в вале возникают опасные касательные напряжения, ча. сть кинетической энергии ротора переходит в потенциальную энергию упругих деформаций кручения вала. Для преодоления указанных затруднений в отдельных конст­рукциях МН предусматриваются упругие или фрикционные муфты .

Статические МН сохраняют запасенную энергию, находясь в неподвижном состоянии. Носителями потенциальной энергии в них служат упруго деформированные твердые тела или сжатые газы, находящиеся под избыточным давлением, а также массы, поднятые на высоту относительно земной поверхности. Типичными примерами статических МН являются: растянутые или сжатые пружины, резины; газобаллонные аккумуляторы и пневмоаккумуляторы; ударные устройства различных копров, например для забивания свай, использующие энергию масс в поднятом состоянии; водохранилища гидроаккумулирующих электростанций, баки водонапорных установок. Приведем ос­новные энергетические соотношения и характерные параметры некоторых типовых устройств.

Рассмотрим МН с упругими элементами.

Полагаем твердотельную систему линейной, тогда упругий накопительный элемент имеет постоянную жесткость (или упругость) N = Const. Действующая на него сила F =Nx пропор­циональна линейной деформации х. Совершенная при заряде МН элементарная работа dW =Fdx . Полная запасенная энергия

W = J Fdx= J Nxdx = NAh2/2-FaAh/2, Oo

Где Ah - результирующая деформация, ограниченная, например, Допустимым напряжением ар материала; Fn = NAh -приложен­ная сила.

Оценим удельную энергию Wya = Wj М, приходящуюся на единицу массы M = yV =ySh пружины или стержня объемом V и сечением S , материал которых имеет плотность у и работа­ет на разрыв в пределах закона Гука a = xfE , причем X *=xfh - относительная деформация, Е -модуль упругости (Юнга), G^Gp. Введя da = Edx „ можем записать DW =Fhdx *=Fhdo /Е и dWya = dW /ySh = Fda /ySE , откуда при C = F /S находим

Wya=](aljE)da = a2J(2jE). О

Для стальных пружин примем с„ = 8 108 Н/м " Е= 2 ,1-1011 Н/м2, у = 7800 кг/м3, тогда Wya ^200 Дж /кг. Ана­ Логичный расчет для технической резины дает ^уд^350 Дж/кг, однако из-за гистерезисного характера зависимости F = F (X ) В цикле «заряд-разряд» возникающие потери и нагрев приводят К постепенному старению (разрушению) резины, нестабильности й ухудшению ее упругих свойств.

Газоаккумулирующая система находится в механически не­равновесном состоянии по отношению к окружающей среде: при равенстве температур системы и окружающей среды (Т=Т0С) давление системы р>р0,с, поэтому система может совершать работу. Запас упругой энергии сжатого в баллоне объемом V газа составляет

W =P{ vdp=v{p2-pi).. (4.1)

На единицу массы М любого сжатого газа согласно (4.1) приходится удельная энергия

Wya=W/M=V(p2-Pl)IM=Aply. (4.2)

На основании (4.2) при К=1м3 значение W - WysM чис­ленно равно перепаду давления Ар=р1-р1. Например, если А/? = 250 105 Па (начальное давление р! = Ю5Па), то ИЛ=25-106 Дж независимо от химического состава газа. Мак­симальное значение Wya при расширении сжатого газа до нулевого давления при данной температуре согласно уравнению Менделеева - Клапейрона PV - MvRyT составляет

Wya =WlM=RyTI», (4.3)

Где ц = М/Мц - молярная масса (кг/кмоль); Ry& ~8,314 кДж/(кмоль К) - универсальная газовая постоянная при Тх273 К; /?«105Па; Мм - количество киломолей в газе массой М.

Из (4.3) видно, что наиболее эффективно применение в МН легких газов. Для самого легкого газа - водорода (ц = 2 кг/кмоль) при Г=300 К удельная энергия ~1250 кДж/кг (или 1250 Дж/г). В (4.3) давление в явном виде не входит, так как Wya определяется по (4.2) отношением избыточного давления газа к его плотности. Последняя при повышении давления и Г= const возрастает по линейному закону (в изотермическом процессе PV = Const). Следует заме­тить, что целесообразные для эффективного применения рас­сматриваемых МН высокие давления обусловливают по сооб­ражениям прочности существенную массу газовых баллонов, с учетом которой значение Wya установки в целом может снижаться почти на порядок по сравнению с fVya из (4.2), (4.3). Оценку прочности баллонов можно провести, пользуясь Расчетными соотношениями § 4.5.7.

Рассмотрим гравитационные накопители энергии.

Гравистатическая энергия притяжения Земли (на уровне оря) оценивается достаточно высоким показателем "уд = 61,6 МДж/кг, который характеризует работу, необходи­мую для равномерного перемещения тела массой Мх = Кг с земной поверхности в космическое пространство (для срав­нения укажем, что это значение PVya приблизительно в раза больше химической энергии 1 кг керосина). При подъеме груза массой М на высоту h = x 2 - xl запасенная потенциальная энергия

W =jgMdx=gMh, (4.4)

Где M = const, g=9,8l м/с2. Согласно (4.4) удельная энергия Wya =Wj M =gh зависит только от высоты h . Запасенная энергия высвобождается при падении груза и совершении соответствующей полезной работы в результате перехода потенциальной энергии в кинетическую. Наибольшую удельную кинетическую энергию в природе при падении могут развивать метеориты, для которых Wya^60 МДж/кг (без учета затрат энергии на трение в атмосфере).

Непосредственное использование гравистатических сил, со - здабаемых природными массами, практически невозможно. Однако, перекачивая воду в поднятые искусственные водо­хранилища или из подземных водохранилищ на поверхность, можно накопить достаточно большое количество потенциаль­ной энергии для крупномасштабных применений в электроэнер­гетических системах. Если разность уровней h = 200 м, то в расчете на массу воды М=103кг запасенная энергия по (4.4) равна И>"=1962 кДж, удельная энергия Wya = WjM = 1,962 кДж/кг.

Рассмотрим инерционные кинетические МН.

Кинетическую энергию в принципе можно запасать при любом движении массы. Для равномерного поступательного движения тела массой М со скоростью v кинетическая энергия W =Mv 2 / 2. Удельная энергия Wya =W / M = v 2 j 2 зависит (квад­ратично) только от линейной скорости тела. Тело, движущееся с первой космической скоростью км/с, имеет удельную

Энергию Wyax32 МДж/кг.

Для разнообразных энергетических и транспортных примене­ний рациональны МН вращательного движения - инерционные МН (маховики). Запасенная кинетическая энергия W=J& / ~ определяется квадратом угловой скорости Q = 2nn (П - частота вращения) и моментом инерции J маховика относительно оси вращения. Если дисковый маховик имеет радиус г и массу М = yV (V -объем, у - плотность материала), т°

J^Mr2/2 = yVr2j2 и W=n2Mr2n2 = n2yVr2n2. Соответствующая удельная энергия (на единицу М или V) составляет FV /M =n *r 2n 2 , Дж/кг и lV 0ya =W /V =n 2yr 2n 2 , Дж/м3. Значения Q и п при заданном размере г ограничиваются линейной окружной скоростью v = Q .r = 2mr , связанной с до­пустимым разрывающим напряжением материала ар. Известно, что напряжение а в дисковом или цилиндрическом роторе МН зависит от v2. В зависимости от геометрической формы металлических маховиков для них характерны допустимые предельные скорости на периферии приблизительно от 200 до 500 м/с.

Накопленная энергия, в частности для тонкого ободкового маховика, W =Mv /2 (М -масса вращающегося кольца). Удельная энергия Wya =W /M = v 2 /2 не зависит от размеров кольца и определяется соотношением параметров Ор/у его материала (см. § 4.5.1, где показано, что v 2 = opj У). Следует отметить, что аналогичная закономерность для Wya~avjу имеет место также в индуктивных накопителях энергии (см. гл. 2), хотя они существенно отличаются от МН по физической природе. В общем случае при изготовлении накопительных элементов МН необходимо применять материалы с повышен­ными значениями Gp/y> 105 Дж/кг. Наиболее подходящими материалами являются высокопрочные легированные стали, титановые сплавы, а также легкие алюминиевые сплавы (типа «дюраль») и магниевые сплавы (типа «электрон»). Применяя металлические материалы, можно получить удельную энергию МН до Wm = 200-300 к Дж/кг .

Предназначенные длй создания маховиков с особо боль­шими удельными энергиями (супермаховиков) тонковолокнис­тые материалы теоретически могут обеспечить следующие уровни показателя Wya: стеклянные нити-650 кДж/кг, квар­цевые нити - 5000 кДж/кг, углеродные волокна (со структурой алмаза)-15000 кДж/кг . Нити (или выполненные из них ленты) и клеющие смолы образуют композитную конструкцию, прочность которой ниже, чем у исходных волокон. С учетом элементов крепления в реальных супер - маховиках практически достигаются значения Жуд меньше Указанных, но все же относительно более высокие, чем в других Разновидностях МН. Супермаховики допускают окружные скорости до v «1000 м/с. Техническая реализация таких Устройств требует обеспечения специальных условий. Например, Необходима установка маховика в вакуумированном кожухе, так как указанные значения v соответствуют сверхзвуковым скоростям в воздухе (число Маха Ма>1), которые в общем СлУчае могут вызывать целый ряд недопустимых эффектов: Появление скачков уплотнения воздуха и ударных волн, резкое Повышение аэродинамического сопротивления и температуры.

А -масса на жесткой струне; б -упругий обод

Многослойные волокнистые супермаховики обладают достаточ­но высокой надежностью и безопаснее в эксплуатации, чем сплошные маховики. При недопустимых нагрузках, обуслов­ленных инерционными силами, разрушаются" только наиболее напряженные наружные слои волоконной композитной конст­рукции супермаховика, тогда как разрушение массивного маховика сопровождается разлетом его разорвавшихся частей.

Сочетание свойств статического и динамического МН имеет место в различных устройствах. Простейшим из них является колеблющийся маятник. Циклический процесс взаимного преоб­разования потенциальной энергии в кинетическую может под­держиваться достаточно длительно, если компенсировать по­тери в маятниковом механизме.

Рассмотрим иллюстративные примеры МН, запасающих при заряде одновременно кинетическую и потенциальную энергию . Они демонстрируют принципиальные возмож­ности совместного практического использования обоих видов накопленной механической энергии. На рис. 4.1, а показан груз массой М, вращающийся вокруг центра О на абсолютно жесткой струне длиной /, отклоненной от вертикального положения на угол ср. Линейная скорость v соответствует вращательному движению М по окружности радиуса г. Потен­циальная энергия груза Wn =gMh обусловлена его подъемом на высоту h в результате отклонения. Кинетическая энергия груза составляет 1FK = 0,5 Mv 2 . На груз действует сила F = F„ + Fr. Ее инерционная компонента равна FK = Mv lr> значение гравитационнои компоненты F T = gM . Поскольку F„/Fr = r2/rg = tg(D, постольку Wn /WK = 2h /rtg ^>. Если Учест^! что A = /(l - coscp) и r = /sincp, то /г/г = (1 - coscp)/sinср. Таким образом, W „l lFK = 2coscp/(l +cos(p), и в случае ср->0 получаем Wn/WK->1. Следовательно, при малых углах ср запасенная энергия fV=JVK+Wn может распределяться на равные част (WЗначение Wn можно увеличить, если закрепить груз на упругом подвесе (прутке или струне).

Другим примером совместного накопления W „ и WK служит вращающийся тонкоободковый маховик (рис. 4.1, б), облада­вший упругостью (жесткостью) N. Натяжение в ободе ^р = NAI пропорционально упругому удлинению А/=2л(г -г0), вызванному инерционными силами AFr = AMv 2 /г, распределен­Ными по окружности обода радиусом г. Равновесие элемента обода массой 2ДМ=2(Л//2л;)Д(р определяется соотношением 2A/v = 2A/7(()sinAcp^Ai^Acp, откуда 0,5 Mv 2 = 2K 2 (r - r 0 )N . Сле­довательно, кинетическая энергия обода lVK = 2n 2 (r - r 0 )N . По­скольку запасенная потенциальная энергия }